Flash 编程器的FPGA实现

Avenger

1 引言
闪速存储器（Flash Memory）以其集成度高、成本低、使用方便等许多优点，广泛应用于通讯设备、办公设备、家用电器、医疗设备等领域。利用其保存信息的非易失性和在线更新数据参数的特性，可将其作为具有一定灵活性的只读存储器（ROM）使用。

现在的数字电路应用系统设计中，经常遇到大容量的数据存储问题。Flash由于容量大、存储速度快、体积小、功耗低等诸多优点，而成为应用系统中数据存储器件的首选。由于在研制实时信号处理系统时，需要一块大容量的Flash来存储坐标变换的数据作查找表，因此面临一个如何对Flash进行编程，将数据写入Flash的问题。由于我们选用的Flash芯片为SST39SF010/020，是最新生产的型号，需要自己开发编程器来满足设计需要，达到既经济又实用的目的。这一型号的Flash采用的是标准的5V电压供电，器件在命令控制下自己产生内部的擦除电压Vpp，从而完成数据的写入和芯片的擦除等各种功能。而FPGA这种大规模的可编程器件十分适合逻辑电路的设计，能方便地控制和产生 Flash编程操作中的各种控制命令，实现编程器的功能。

2 Flash的性能参数和操作时序

以最新的Flash芯片型号SST39SF010/020为例，容量为1/2Mbit（×8）。

它的主要性能有：

● 单一的5.0V电压读写操作；

● 高可靠性，超过100年的数据保持能力；

● 快速擦除和字节编程功能

——扇区擦除时间典型值只需7ms；

——片擦除时间典型值只需15ms；

——字节编程需时间典型值只需20微秒；

——片重写时间需3ms（SST39SF010）

● 片内部产生Vpp编程电压，实现自动读写时序；

● I/O兼容TTL；

各引脚功能：

Ams～A0：地址输入 ——提供存储器地址；

DQ7～DQ0：数据输入/输出 ——在读时序时输

5 P  ^$ m# P0 H2 e出数据，在写时序时接收输入的数据；
CE#：片选使能——当CE#为低电平有效；

OE#：输出使能——选通输出缓存器；

WE#：写使能——控制写时序；

VDD：接5V电源；

VSS：接地。

在对Flash进行编程操作前，必须保证存储单元为空。如果不为空，就必须先对Flash芯片进行擦除操作。由于Flash采用了模块分区的阵列结构，使得各个存储模块既可以整个芯片一齐被擦除，还可以使各个存储模块被独立的分别擦除。只需在地址和数据端写入不同的操作命令即可实现不同的擦除操作。

SST39SF010的编程操作分三步骤：第一步是连续载入三字节命令的软件数据保护操作，第二步是写入字节地址和字节数据，在编程操作过程中，地址是在CE#或WE#的下降沿时有效，而数据则是在CE#或WE#的上升沿时有效；第三步是芯片内部的编程操作，该操作在CE#或WE#的第四个上升沿有效，随后该内部编程操作在30微秒内即可完成。这部分的时序如图所示。

Flash的编程操作是自动字节操作，编程时要特别注意编程时间参数和使用的命令集。编程和擦除时钟周期的定时参数如表所示。

* q/ R( ]- L0 z! }3 FPGA实现Flash编程器的设计
Flash编程器的关键是要保证Flash地址和数据信号在时序上的严格要求，由SST39SF010的编程和擦除周期时序参数得知，它的地址或数据信号的建立和保持时间的最小时钟周期仅为30ns。为此，我们采用了40MHz的晶振作为FPGA的驱动时钟，它的最小时钟周期为25ns，完全可满足最小的时间周期要求。

采用FPGA来实现Flash编程器，主要是如何对Flash进行写操作，利用VHDL语言编写的写操作进程表示如下：

process(rst,clkin,wea)--program cycle

variable count:integer range 0 to 900 ;

begin

if(rst='0') then

ce<='1'; ——片选使能

oe<='1'; ——输出使能

we<='1'; ——写使能

addr<=(others =>'Z'); ——地址总线

addr_1<=(others =>'0');

dq<=(others =>'Z'); ——数据总线

req<='0';

count:=0;

elsif(wea='1') then

if(clkin'event and clkin='1') then

case count is

when 0 =>

ce<='1';

oe<='1';

we<='1';

addr<=(others =>'Z');

dq<=(others =>'Z');

count:=count+1;

when 1 =>

ce<='0';

count:=count+1;

when 2 => ——第一步：软件保护命令

addr<="00101010101010101";——5555

dq<="10101010"; ——AA

count:=count+1;
when 3 =>

we<='0';

count:=count+1;

when 5 =>

we<='1';

count:=count+1;

when 7 =>

addr<="00010101010101010";

——2AAA

dq<="01010101" ——55

count:=count+1;

when 8 =>

we<='0';

count:=count+1;

when 10 =>

we<='1';

count:=count+1;

when 12 =>

addr<="00101010101010101";

——5555

dq<="10100000"; ——A0

count:=count+1;

when 13 =>

we<='0';

count:=count+1;

when 15 =>

we<='1';

count:=count+1;

when 17 => ——第二步：写入地址和数据

addr<="00000"&addr_1;

——写入地址

dq<=rom_data; ——写入数据

count:=count+1;

when 18 =>

we<='0';

count:=count+1;

when 20 => ——第三步：保持信号，芯片内部编程

$ m5 s$ w( B* m- cwe<='1';
count:=count+1;

when 900 =>

addr<=(others =>'Z'); ——信号复位

dq<=(others =>'Z');

if(addr_1="111111111111") then

req<='1';

else

addr_1<=addr_1+1;

end if;

count:=0;

when others => count:=count+1;

end case;

end if;

end if;

end process;

实现一个控制功能，可以用有限状态机实现，也可以用CPU实现，二者相比，前者性能远高于后者。因为，在Von Neumann结构的CPU中，需要许多操作（例如取数和执行）和部件（例如数据通路和ALU寄存器）。而状态机中，状态存储在多个触发器中，表示行为的代码存储在门级网络中。对于通常的一条选择判断语句，如果用CPU实现，一般需要10～20条机器指令，其执行时间与CPU的速度有关。如果由门和触发器实现，则执行时间为一个时钟周期。因此用VHDL实现的状态机的控制性能要优于CPU实现的方案。

如上述程序，在编程器的写操作进程中，我们使用Moore型状态机，它最大的特点是输出仅是状态向量的函数，即Moore状态机的输出仅和当前状态（现态）有关。在寄存器转移级的有限状态机中包括状态进程和组合进程两部分，如图3。

状态进程：状态进程对状态机的时钟信号敏感，当时钟发生有效跳变时，状态机的状态发生变化，由次态变为现态。本例中，将写操作分成900个状态，状态0初始化各输出信号，状态1～5执行第一个控制命令，状态7—10执行如第二个控制命令，状态12～15执行第三个控制命令，状态17～ 20给出要写入的地址和数据，状态21～900保持控制信号，是芯片内部编程时间。
" Y# f3 Q# M, g, e$ n组合进程：组合进程就根据当前状态（现态）给输出信号赋值，并决定下一状态（次态）。在本例中，状态机根据不同的状态对CE#、OE#、 WE、地址、数据等Flash控制信号进行赋值，从而实现对Flash的控制功能。

但是每执行一次写操作，只能写入一个地址单元里的8bit数据，如果按照这个方法，完成整个Flash芯片1Mbit数据的写入就需要重复执行写操作 128K次，这样既麻烦又浪费时间。我们选用的Xilinx公司SpartanⅡ系列FPGA，提供片上双端口同步读/写RAM块，每块RAM容量为4096bit。块RAM的每个端口可独立配置为读/写端口、读端口或写端口，同时还能配置为任何想要的数据带宽。因此块RAM可使FPGA设计者的设计更加简单，可以把块RAM配置成ROM、RAM、FIFO等多种元件，具有使用方便、性能优越等特点，是一种十分高效的内部存储器解决方案。因此我们采用FPGA的块RAM作为内部数据缓冲器，以提高 Flash写操作的速度和效率。

在本例中，使用内部块RAM产生一个32Kbit 的ROM 元件，程序当中直接引用和映射该元件，将要写入Flash的数据先写入该ROM元件中，然后在每次写操作中将ROM中的数据按地址顺序逐一写入Flash中的一个连续32Kbit的扇区当中，这样编程器的一次写操作就可以写入32Kbit数据，因为32K×32=1Mbit，则依次改变Flash的高5位地址，重复32次上述的写操作，这样1Mbit的数据就写入了整片Flash中，大大提高了编程器写操作的效率。至于ROM元件中的数据，则以ASCⅡ码的形式存在以.coe为后缀的文件当中，在由 CoreGenerator生成ROM元件时，根据需要选择相应存有数据的.coe文件，将该文件的路径导入，执行Generate操作，最后生成的ROM元件就包含了.coe文件中的数据。

CoeGenerator是一个元件生成软件，它给用户提供了一个通用化的设计界面，提供RAM、ROM、乘法器、各种标准接口等许多设计中常用的元件模型，这样设计者不必自己动手编写，而采用CoeGenerator即可生成自己需要的各种元件。这些元件都是经过了最优化设计，占用资源最少，性能最优，还大大节省了设计时间，方便了设计者。产生的ROM元件将存储在设计工程之中，需要在程序中加入引用语句，才可以使用。 VHDL程序中使用CoreGenerator产生的元件需要加入两段语句，一是在实体部分对要引用的ROM元件进行说明，二是在结构体中对ROM元件例化，映射例化元件的输入/输出信号。
& E7 x- Y' S( Q. E由于FPGA具有在线可再编程性能，因此当系统中Flash 直接由FPGA存取时，我们可以用FPGA实现对Flash的编程，在编程操作之后，对FPGA 进行再配置，实现其它系统功能，达到一个FPGA器件实现多种应用的目的。
4 结束语

使用VHDL语言，由FPGA来实现Flash编程器的功能，不仅节约了专用编程器的采购开支，更重要的是可以灵活、快速地实现专用Flash编程器的功能。随着微电子技术的发展，可编程器件的容量已经达到千万门级，越来越多的过去必须由专用芯片或器件才能完成的工作现在都可以通过设计软件，由FPGA来实现了。硬件的软件化已经成为电子行业中不可阻挡的趋势。

, p# \. `! z( @) u  g

ononsiiii

Flash由于容量大、存储速度快、体积小、功耗低等诸多优点，而成为应用系统中数据存储器件的首选。