FPGA实现Flash编程器的设计 - Flash编程器的FPGA实现

       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：

  
  

       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。

       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。 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.

       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。 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。