基于WISHBONE总线的FLASH闪存接口设计

引言
---随着半导体工艺技术的发展，IC设计者已能将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，即SoC芯片。对片上系统(SoC)数据记录需要低功耗、大容量、可快速重复擦写的存储器。常用的介质主要有：动态存储器（DRAM）、静态存储器（SRAM）和闪速存储器（FLASH MEMORY）。DRAM容量大，但需要不断刷新才能保持数据，会占用微处理器时间，同时增加了功耗；SRAM虽然不需要动态刷新，但价格太贵，并且断电后跟DRAM一样数据都无法保存。FLASH MEMORY是一种兼有紫外线擦除EPROM和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)两者优点的新型非易失存储器。由于它可在线进行电可擦除和编程，芯片每区可独立擦写至少1000 000次以上，因而对于需周期性地修改被存储的代码和数据表的应用场合，以及作为一种高密度的、非易失的数据存储介质FLASH是理想的器件选择。在我们设计的系统中，处理器是Openrisc1200，所用的FLASH是AMD与富士公司的Am29LV160D芯片。利用FPGA实现接口，由于Openrisc1200（OR1200）采用WISHBONE总线，所以本设计的接口具有可移植性。

Am29LV160D芯片特点
---Am29LV160D是一种仅需采用3.0V电源进行读写的闪存。该器件提供了70ns、90ns、120ns读取时间，无需高速微处理器插入等待状态进行速度匹配。为了消除总线竞争，芯片引入了片选使能（CE#）,写使能（WE#）和输出使能（OE#）控制端口。芯片采用分块结构，非常适用于要求高密度的代码或数据存储的低功耗系统。
---● 甚低功耗
---工作在5MHz时, 电流典型值为：
---睡眠模式下电流为200nA；
---备用模式下电流为200nA；
---读数据时为9mA；
---编程/擦除模式下电流为20mA。
---● 灵活的分块结构
---一个16KB，两个8KB，一个32KB，和31个64KB块（字节模式）；
---一个8KB，两个4 KB,一个16 KB，和31个32 KB块（字模式）；
---支持整个芯片擦除；
---复杂的块保护特性。
---● 具有内部嵌入算法
---内部嵌入擦除算法自动预编程和擦除整个芯片或任意块的组合；
---内部嵌入算法自动将给定地址的数据写入芯片及对其校验。
---● 与JEDEC标准兼容
---● 具有硬件RESET复位与Ready/Busy擦写查询管脚
---● 具有擦除暂停与擦除继续功能

WISHBONE总线简介
---WISHBONE总线规范是一种片上系统IP核互连体系结构。它定义了一种IP核之间公共的逻辑接口，减轻了系统组件集成的难度，提高了系统组件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了产品市场化的速度。WISHBONE总线规范可用于软核、固核和硬核，对开发工具和目标硬件没有特殊要求，并且几乎兼容所有的综合工具，可以用多种硬件描述语言来实现。
---灵活性是WISHBONE总线的另一个优点。由于IP核种类多样，其间并没有一种统一的间接方式。为满足不同系统的需要，WISHBONE总线提供了四种不同的IP核互连方式：
---点到点（point-to-point），用于两IP核直接互连；
---数据流（data flow），用于多个串行IP核之间的数据并发传输；
---共享总线（shared bus）（见图1），多个IP核共享一条总线；
---交叉开关（crossbar switch），同时连接多个主从部件，提高系统吞吐量。

FLASH接口的设计
---由于OR1200采用的是WISHBONE共享总线，其地址线为32位，数据线也为32位。设计中采用将低位与FLASH相联接,并将接口位度设计为16位。原理框图如图2所示。逻辑接口部分采用FPGA来实现。系统选用Xilinx公司最新推出的90nm工艺制造的现场可编程门阵列芯片Spartan-3来实现接口设计，利用它的可编程性特性带来了电路设计的简单化和调试的灵活性。
---FLASH读接口设计
---该接口可实现单周期读与块读功能，时序部分与WISHBONE兼容。由于采用的FLASH最大读周期时间至少为90ns，故只有在总线时钟工作在10MHz以下频率时可以直接将ACK_O端口与STB_I端口相联。当MASTER（指令CACHE）发出块读信号时，将发出一个LOCK_O＝VIH信号给总线仲裁器，要求总线能不间断提供总线。其对SLAVE（FLASH接口部分）控制信号为：
---WE_I=VIL,CYC_I=VIH,STB_I=VIH，BYTE=VIH
---当MASTER结束块读时发出STB_O= VIL信号即可。其输出接口部分如图3所示。
---该输出接口模块源代码如下：
---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<=16'b0;//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写接口设计
---因为FLASH写命令需要多个时钟周期时间，其中采用Unlock Bypass模式时为2个时钟周期，采用正常写模式需要4个时钟周期，并且在对FLASH写和擦写时更是需要等待几十微秒到几秒钟的时间，因此对接口SLAVE必须引入写或擦写完成状态信号来控制总线数据的传输。为简化设计采用RY/BY引脚来判断。输出端口原理图与图3类似，只需对部分端口进行修改即可。
---为了能够对块保护的程序代码进行升级，特别设计了一个12V电源电路来实现暂时块写保护解除功能，如图4所示。利用Am29LV160D芯片提供的暂时块写保护解除模式——即通过对RESET＃引脚加VID电压。在该模式下先前被保护的块可以通过块地址选中来进行编程和擦除。并且一旦VID移除所有先前保护的块恢复到保护状态。
---图4中RV控制信号处采用了R=5kΩ，C=100pF，以便使得VID电压上升时间与下降时间≥500ns，从而满足相应的时序要求。肖特基二极管的引入保证了系统RESET信号被钳制在Vcc＋0.3V以内。总体上来说，该电源隔离电路的引入对整个系统的成本影响很小，而使系统可以在线编程被保护的FLASH存储块。
---在进行FLASH编程时部分要用到命令总线时序定义，如表1所示。
总结
---本文介绍了AMD公司Am29LV160D芯片特点，并在此基础上设计了基于WISHBONE总线的接口。该接口设计方法对其他相关SoC总线接口设计具有直接的参考意义。