基于FPGA的F-RAM防掉電設計

摘要 在復雜實驗條件下，需采用非易失性鐵電存儲器記錄重要數據。為防止二次上電時實驗數據被覆蓋，需設計防掉電功能。文中介紹了一種F-RAM的防棹電設計思路，并基于現場可編程門陣列實現，板級驗證工作正常，并已在相關項目中得到應用且達到了預期功能。

關鍵詞 非易失鐵電存儲器;防掉電;現場可編程門陣列

在彈載、密閉艙等某些復雜實驗條件下，為記錄實驗數據，國內外通常采用SRAM加后備電池、EEPROM、NVRAM的3種方式。其中SRAM加后備電池的方法增加了硬件的復雜性，同時又降低了系統的可靠性;EEPROM的寫操作時間較長;NVRAM的價格限制了其的普及應用。鑒于以上情況，越來越多的設計者將注意力投向了新型的非易失性鐵電存儲器(F-RAM)。非易失性鐵電存儲器具有實時寫入，讀寫操作簡單，可擦寫次數可達億次量級，并具有低功耗等突出優點。

系統實驗中可能會出現二次上電情況，此時系統再次正常工作，將向F-RAM中重新寫入數據，造成已采集有效數據的覆蓋，為避免數據覆蓋的發生設計中需增加防掉電功能。本文主要介紹一款F-RAM芯片的硬件配置、讀寫操作時序，闡明了防掉電設計思路及其FPGA實現，同時驗證了方法的正確性。

1 F-RAM及FPGA

本文選擇FM23MLD16的8 Mbit F-RAM存儲器，48個管腳BGA封裝，可抗高過載，作為FPGA的外設器件。首先器件配置應正確，硬件配置決定了軟件的控制及時序。根據手冊，本文選擇如圖1所示的配置方式。

硬件上

接為低電平、CE2接為高電平，程序中將UB、LB接成低電平以配置成數據位寬16bit模式。根據硬件配置，讀寫操作利用

、

兩信號控制，且時序關系確定，如圖2和圖3所示。硬件配置中需注意的是

上拉電阻務必要加入，以保證在上電及掉電時

信號不為低電平。

設計需滿足時序要求，對F-RAM的讀寫時鐘最終確定為5 MHz。由圖2可知該配置下，讀操作相對簡單，

為低，

為高，地址變化即可;寫操作需注意

的上升沿與地址、數據間滿足建立時間、保持時間要求，文中

的上升沿處于數據中段。

FPGA既具有門陣列的高邏輯密度和高可靠性，又具有用戶可編程特性，可減少系統設計和維護的風險，降低產品成本，并縮短設計周期。FPGA有著規整的內部邏輯塊陣列和豐富的連線資源，適合于細粒度和高并行度結構特點的數字信號處理任務，可大幅提高系統處理速度。管腳資源豐富是采用FPGA實現的重要原因，且時序控制方便。

2 防掉電設計思路

正常的讀寫操作，在所選擇硬件配置下滿足時序要求即可。防掉電功能通過在寫模式上電后，首先以判斷標志位的方式實現，若標志位未寫入標志信息，則執行寫操作，否則進入空閑模式不再寫入。而讀模式將存儲器內數據正常讀出即可。設計增加擦除模式，將F-RAM中所有數據清零，且標志位也清零。

讀寫及擦除模式間的切換是通過兩外置管腳的輸入電平來控制的，兩管腳可實現4種組合滿足本文的需要，上電時通過判斷管腳電平進入相應模式。其設計流程如圖4所示。

圖4中E、WOR為兩個外置的控制管腳，0、1代表高低電平。為數據分析方便，設計每包數據均加幀頭、幀尾標志信息。最初的設計思路為在標志位寫固定值，上電寫操作模式下先讀取該標志位，擦除也只是將標志位清零。后經分析可將幀頭作為標志信息，這樣大幅簡化了設計復雜度。每包數據幀頭均由4個16'h007E構成，將其作為標志位，則寫模式下，判斷初始4個地址中是否為該標志位即可判別是否已寫入數據，實現防掉電功能。擦除模式下將所有存儲數據均清為0。每次上電后系統重新判斷E、WOR狀態，而讀寫地址均從0開始重新變化。

3 板級驗證

由于該器件為FPGA外置芯片，因此讀寫操作的正確性需在信號處理板上進行調試，設計中的仿真只保證讀寫時序與設計思路一致。

板級驗證方法：實驗前控制E、WOR為擦除模式，數據清空。再接為寫模式，則可正常寫入數據，重新上電，仍處于寫模式，此時標志位已寫入標志信息，則結束進入空模式而不再重新寫入，最后再進入讀模式。具體步驟為：(1)進行擦除操作，然后系統掉電。(2)讀操作看是否將F-RAM中數據清為0，然后系統掉電。(3)寫操作重復寫入同一組已知格式的數據(16 bit位寬)，本文采用：4個幀頭(16'h007E)+數據(16'd 1、2、…、800)+2個幀尾作為第一組數據，寫滿后系統掉電。(4)二次寫操作，仍保持E、WOR為低電平，此時每幀數據封裝格式不變，將數據調整為800，799，…，1，然后系統掉電。(5)讀操作，從F-RAM中讀取數據，若為第一組數據則結果正確。實驗結果如圖5(a)～圖5(c)所示，分別對應(1)～(5)步實驗步驟。

圖5為使用同一bit文件觀測，圖中相關信號的說明如表1所示。

實驗結果說明，圖5(a)為第一步擦除操作，E、WOR均接為低電子，擦除即將每個地址中均寫入數據0，對應d_writein均為0，按寫地址順序變化。圖5(b)為第二步讀取操作，E、WOR均接為高電平，讀取過程中讀地址(r_addr_d1)順序變化，此時讀出數據均為0(read_data)，說明第一步擦除有效已將標志位清零。圖5(c)為第三步寫第一組數據，如圖所示寫地址隨數據順序增加，寫F-RAM時wewe上升沿與數據及地址對齊，oeoe為低電平。圖5(d)為系統二次上電E、WOR均接為低電平，仍為寫模式，寫入第二組數據，由于在第三步中標志位已寫入標志信息，系統進入空閑模式，結束對F-RAM的操作(oeoe拉高，讀寫使能均為低電平)。圖5(c)為第五步讀取操作，讀數據時，需并串轉換后經異步串口將數據輸出，發送完一個數據后將再讀出另一個，串口速率比讀時鐘慢，因此圖中讀一個數顯示占用了若干周期。

圖5(c)的結果說明讀出數據為實驗第三步即第一次寫入的數據，重復驗證結果不變，說明達到了防掉電的目的，且讀寫功能正常，符合設計要求。

設計中考慮試驗時可能遇到的E、WOR線斷情況，故給兩控制管腳均接入下拉電阻，避免了控制寫操作時E、WOR變為高電平，進而防止了誤操作的發生。

4 結束語

本文介紹了F-RAM的基本讀寫時序，并著重說明了基于FPGA實現防掉電的設計思路。設計利用數據幀頭信息作為標志位，簡化了邏輯復雜度。該方法已應用于相關項目中，為實驗數據記錄分析及查找問題提供了方便。