基于WISHBONE總線的FLASH閃存接口設計

引言

隨著半導體工藝技術的發展，ic設計者已能將微處理器、模擬ip核、數字ip核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，即soc芯片。對片上系統(soc)數據記錄需要低功耗、大容量、可快速重復擦寫的存儲器。常用的介質主要有：動態存儲器（dram）、靜態存儲器（sram）和閃速存儲器（flash memory）。dram容量大，但需要不斷刷新才能保持數據，會占用微處理器時間，同時增加了功耗；sram雖然不需要動態刷新，但價格太貴，并且斷電后跟dram一樣數據都無法保存。flash memory是一種兼有紫外線擦除eprom和電可擦除可編程只讀存儲器(eeprom)兩者優點的新型非易失存儲器。由于它可在線進行電可擦除和編程，芯片每區可獨立擦寫至少1000 000次以上，因而對于需周期性地修改被存儲的代碼和數據表的應用場合，以及作為一種高密度的、非易失的數據存儲介質flash是理想的器件選擇。在我們設計的系統中，處理器是openrisc1200，所用的flash是amd與富士公司的am29lv160d芯片。利用fpga實現接口，由于openrisc1200（or1200）采用wishbone總線，所以本設計的接口具有可移植性。

am29lv160d芯片特點

am29lv160d是一種僅需采用3.0v電源進行讀寫的閃存。該器件提供了70ns、90ns、120ns讀取時間，無需高速微處理器插入等待狀態進行速度匹配。為了消除總線競爭，芯片引入了片選使能（ce#）,寫使能（we#）和輸出使能（oe#）控制端口。芯片采用分塊結構，非常適用于要求高密度的代碼或數據存儲的低功耗系統。

● 甚低功耗
工作在5mhz時, 電流典型值為：
睡眠模式下電流為200na；
備用模式下電流為200na；
讀數據時為9ma；
編程/擦除模式下電流為20ma。
● 靈活的分塊結構
一個16kb，兩個8kb，一個32kb，和31個64kb塊（字節模式）；
一個8kb，兩個4 kb,一個16 kb，和31個32 kb塊（字模式）；
支持整個芯片擦除；
復雜的塊保護特性。
● 具有內部嵌入算法
內部嵌入擦除算法自動預編程和擦除整個芯片或任意塊的組合；
內部嵌入算法自動將給定地址的數據寫入芯片及對其校驗。
● 與jedec標準兼容
● 具有硬件reset復位與ready/busy擦寫查詢管腳
● 具有擦除暫停與擦除繼續功能

wishbone總線簡介

wishbone總線規范是一種片上系統ip核互連體系結構。它定義了一種ip核之間公共的邏輯接口，減輕了系統組件集成的難度，提高了系統組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產品市場化的速度。wishbone總線規范可用于軟核、固核和硬核，對開發工具和目標硬件沒有特殊要求，并且幾乎兼容所有的綜合工具，可以用多種硬件描述語言來實現。

靈活性是wishbone總線的另一個優點。由于ip核種類多樣，其間并沒有一種統一的間接方式。為滿足不同系統的需要，wishbone總線提供了四種不同的ip核互連方式：

點到點（point-to-point），用于兩ip核直接互連；

數據流（data flow），用于多個串行ip核之間的數據并發傳輸；
共享總線（shared bus）（見圖1），多個ip核共享一條總線；
交叉開關（crossbar switch），同時連接多個主從部件，提高系統吞吐量。

flash接口的設計

由于or1200采用的是wishbone共享總線，其地址線為32位，數據線也為32位。設計中采用將低位與flash相聯接,并將接口位度設計為16位。原理框圖如圖2所示。邏輯接口部分采用fpga來實現。系統選用xilinx公司最新推出的90nm工藝制造的現場可編程門陣列芯片spartan-3來實現接口設計，利用它的可編程性特性帶來了電路設計的簡單化和調試的靈活性。

flash讀接口設計

該接口可實現單周期讀與塊讀功能，時序部分與wishbone兼容。由于采用的flash最大讀周期時間至少為90ns，故只有在總線時鐘工作在10mhz以下頻率時可以直接將ack_o端口與stb_i端口相聯。當master（指令cache）發出塊讀信號時，將發出一個lock_o＝vih信號給總線仲裁器，要求總線能不間斷提供總線。其對slave（flash接口部分）控制信號為：
we_i=vil,cyc_i=vih,stb_i=vih，byte=vih

當master結束塊讀時發出stb_o= vil信號即可。其輸出接口部分如圖3所示。
該輸出接口模塊源代碼如下：
module wboprt16(clk_i, rst_i,we_i,stb_i,ack_o,dq_i,dat_o);
//wishbone slave interface
input clk_i,rst_i,we_i,stb_i;
output ack_o;
output [15:0] dat_o;
//non-wishbone interface
input [15:0] dq_i;
reg [15:0] dat_o;
always @(posedge clk_i or negedge rst_i)
begin :label_a
if (!rst_i)
dat_o<=16b0;//asynchronous reset
else if ((stb_i & !we_i)==b1)
dat_o<=dq_i;
else
dat_o<=dat_o;
end
assign ack_o=stb_i;
endmodule

flash寫接口設計

因為flash寫命令需要多個時鐘周期時間，其中采用unlock bypass模式時為2個時鐘周期，采用正常寫模式需要4個時鐘周期，并且在對flash寫和擦寫時更是需要等待幾十微秒到幾秒鐘的時間，因此對接口slave必須引入寫或擦寫完成狀態信號來控制總線數據的傳輸。為簡化設計采用ry/by引腳來判斷。輸出端口原理圖與圖3類似，只需對部分端口進行修改即可。

為了能夠對塊保護的程序代碼進行升級，特別設計了一個12v電源電路來實現暫時塊寫保護解除功能，如圖4所示。利用am29lv160d芯片提供的暫時塊寫保護解除模式——即通過對reset＃引腳加vid電壓。在該模式下先前被保護的塊可以通過塊地址選中來進行編程和擦除。并且一旦vid移除所有先前保護的塊恢復到保護狀態。

圖4中rv控制信號處采用了r=5kω，c=100pf，以便使得vid電壓上升時間與下降時間≥500ns，從而滿足相應的時序要求。肖特基二極管的引入保證了系統reset信號被鉗制在vcc＋0.3v以內。總體上來說，該電源隔離電路的引入對整個系統的成本影響很小，而使系統可以在線編程被保護的flash存儲塊。

在進行flash編程時部分要用到命令總線時序定義，如表1所示。

總結

本文介紹了amd公司am29lv160d芯片特點，并在此基礎上設計了基于wishbone總線的接口。該接口設計方法對其他相關soc總線接口設計具有直接的參考意義。