片上FLASH存儲器接口的設(shè)計

解放軍92785部隊 劉宗福

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片上FLASH存儲器接口的設(shè)計

解放軍92785部隊 劉宗福

【摘要】DSP片內(nèi)有限的存儲容量限制了其信息處理能力，針對這一特點，本文設(shè)計了外部存儲器接口，使DSP具有了和FLASH等異步存儲器的無縫接口，用戶可以方便的外接存儲器芯片來擴(kuò)展存儲空間。文章中給出了設(shè)計思路與實現(xiàn)，并進(jìn)行了RTL級驗證，設(shè)計的外部存儲器接口在功能和時序上符合各種存儲器技術(shù)規(guī)范,達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理器；FLASH存儲器；外部存儲器接口；有限狀態(tài)機(jī)

0 引言

基于DSP的末制導(dǎo)雷達(dá)信息處理對存儲空間的要求較高，以滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)實時回傳與存儲的要求。尤其在做導(dǎo)引頭飛行試驗或防空反導(dǎo)訓(xùn)練時，需要外接存儲器來擴(kuò)展DSP的存儲空間，用于記錄試驗訓(xùn)練數(shù)據(jù)。目前用于DSP的存儲器芯片有ROM、Flash、SBSRAM、SDRAM等。然而，該類存儲器件的對外接口復(fù)雜，無法與DSP芯片進(jìn)行無縫對接，給基于DSP的雷達(dá)信號處理分機(jī)設(shè)計帶來很多不便之處。因而本文設(shè)計的DSP中，片上集成了外部存儲器接口(EMIF)，支持Flash等多種存儲器，可以使DSP芯片實現(xiàn)和FLASH存儲器芯片的無縫連接。

1 功能介紹

在系統(tǒng)的設(shè)計中，在DSP片上集成了外部存儲器接口EMIF。圖1是EMIF部件的框圖。CPU經(jīng)由程序總線（P總線）讀取片外存儲器中的程序，經(jīng)由數(shù)據(jù)總線讀寫外存中的數(shù)據(jù)， DMA總線用來進(jìn)行片內(nèi)和片外之間的大量數(shù)據(jù)傳輸。所有的讀寫外存的請求按優(yōu)先級進(jìn)行仲裁，每次選擇一個送到存儲器控制模塊，譯碼后送給相應(yīng)的控制器：FLASH存儲控制器、SBSRAM控制器、SDRAM控制器，本文主要介紹FLASH存儲控制器的設(shè)計。

圖1 EMIF的框圖

Flash存儲器接口也支持ROM、異步SRAM存儲器等，這類存儲器讀寫不需要時鐘。設(shè)計該類接口主要有兩個作用，一是為了加載程序，在DSP加電后，引導(dǎo)加載器可通過FLASH控制器接口將片外程序加載到DSP片上存儲器，另外，F(xiàn)LASH存儲器可以永久保存末制導(dǎo)雷達(dá)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，供飛行試驗或訓(xùn)練結(jié)束后進(jìn)行事后數(shù)據(jù)分析。

圖2 FLASH存儲控制器的讀狀態(tài)機(jī)

2 FLASH存儲器讀寫操作流程

讀時序的過程如下所示（寫操作流程類似）：

（1）建立時間期間

首先，給出片選信號，選中指定的FLASH存儲器開始工作；其次，輸出使能信號有效，允許指定的FLASH存儲芯片根據(jù)要求對外輸出數(shù)據(jù)；第三，給出字節(jié)使能信號，標(biāo)明要訪問的字節(jié)的數(shù)量與位置；建立時間的最后，給出地址信號，發(fā)送要訪問的地址信號到FLASH存儲芯片。

（2）選通時間期間

首先，給出讀選通信號，開始進(jìn)入讀選通時間；其次，在CPU的時鐘上升沿采樣數(shù)據(jù)，該操作恰好領(lǐng)先于讀選通信號的上升；最后，進(jìn)入讀選通信號上升沿，讀選通時間終止。

（3）保持時間的停止

字節(jié)使能線變?yōu)闊o效；地址線變?yōu)闊o效；輸出使能信號上升，釋放芯片的輸出使能信號。

（4）擴(kuò)展保持時間期間

在保持時間結(jié)束后，需要插入擴(kuò)展保持周期，使FLASH存儲控制器發(fā)出的輸出使能信號和片選信號無效。加入擴(kuò)展保持時間，主要是考慮到在下一次訪問外部存儲空間時，F(xiàn)LASH存儲控制器可能會在不同的片選（CE）空間之間進(jìn)行切換，或者改變數(shù)據(jù)的傳輸方向。

3 FLASH讀寫控制器設(shè)計

3.1 FLASH讀寫控制器的構(gòu)成

FLASH存儲控制器由計數(shù)器、有限狀態(tài)機(jī)FSM與數(shù)據(jù)通路三個功能模塊構(gòu)成。其中，整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想為FSM－D組合，以有限狀態(tài)機(jī)模塊為核心。FSM模塊控制狀態(tài)機(jī)的翻轉(zhuǎn)，同時輸出FLASH存儲控制器的狀態(tài)信號，控制進(jìn)行指令譯碼與數(shù)據(jù)裝配。計數(shù)器模塊保存FLASH存儲器的讀寫時序參數(shù)，根據(jù)FSM模塊的命令開始減1計數(shù)過程，計數(shù)結(jié)束后向FSM發(fā)出定時中斷，數(shù)據(jù)通路模塊根據(jù)FSM的當(dāng)前狀態(tài),定時輸出數(shù)據(jù)信號、地址，同時負(fù)責(zé)讀寫數(shù)據(jù)內(nèi)容的裝配。

3.2 計數(shù)器模塊

該模塊實現(xiàn)若干個計數(shù)器，記錄FLASH存儲器所有的讀寫時序參數(shù)，與讀操作有關(guān)的計數(shù)器變量如表1所示。FSM模塊給出讀寫控制信號，在進(jìn)入對應(yīng)狀態(tài)的同時，啟動計數(shù)器從規(guī)定的初始數(shù)值開始遞減，當(dāng)計數(shù)結(jié)束后，告知狀態(tài)機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

表1 FLASH存儲控制器中的讀時序計數(shù)器

3.3 FSM模塊

FSM模塊接收來自EMIF控制模塊的指令，若其他存儲控制器與外部Hold請求（外部設(shè)備發(fā)出申請EMIF放棄控制存儲器的請求）未占用總線，啟動計數(shù)器模塊開始計時，根據(jù)計數(shù)器模塊的定時結(jié)果，發(fā)出中斷信號改變FSM狀態(tài)。FSM不僅要輸出FLASH存儲控制器的狀態(tài)信號，而且要根據(jù)FSM的當(dāng)前所在狀態(tài)，給出讀寫操作使能信號以及外部總線的輸出使能信號。本文以讀操作為例，設(shè)計了FSM的流程，如圖2所示。

(1)空閑狀態(tài)，當(dāng)接收到讀FLASH存儲器的請求后，在等待其他存儲器（SDRAM等）空閑或外設(shè)HOLD請求結(jié)束后，立即進(jìn)入讀操作建立時間狀態(tài)。

(2)讀操作建立時間狀態(tài)，開始計數(shù)，當(dāng)該狀態(tài)結(jié)束后進(jìn)入讀選通時間狀態(tài)。

(3)讀選通時間狀態(tài)，若不采樣FLASH存儲器的ARDY信號，則當(dāng)讀選通時間狀態(tài)結(jié)束后，對FLASH存儲器數(shù)據(jù)采樣，然后跳轉(zhuǎn)到第6步判斷讀保持時間計數(shù)器，若采樣ARDY信號則進(jìn)入下一步完成ARDY信號采樣。

(4)在讀操作選通時間結(jié)束前的第3個CPU時鐘上升沿采樣ARDY，若信號電平為低，進(jìn)入讀選通操作的擴(kuò)展等待時間，等到ARDY為高時進(jìn)入下一步（讀數(shù)據(jù)采樣）；若在讀操作選通時間結(jié)束前的第3個CPU時鐘上升沿采樣ARDY為高，直接進(jìn)入下一步（讀數(shù)據(jù)采樣）。

(5)計數(shù)3個CPU時鐘周期，在讀操作選通時間的末尾（最后一個CPU時鐘上升沿）對數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)入下一步（讀保持狀態(tài)）。

(6)若讀保持時間計數(shù)器Rhold_Count為零，如有同一CE空間的讀請求，進(jìn)入第1步(重新開始讀操作)，若沒有進(jìn)入第8步（讀擴(kuò)展保持時間）；如果Rhold_Count不為零，進(jìn)入下一步（讀保持時間狀態(tài)）。

(7)讀保持時間狀態(tài)，Rhold_Count計數(shù)結(jié)束后，若有同一CE空間的讀請求，進(jìn)入第1步(重新開始讀操作)，若無進(jìn)入下一步（讀擴(kuò)展保持時間）。

(8)讀擴(kuò)展保持時間狀態(tài)，若有同一CE空間的讀請求到來，進(jìn)入讀建立時間狀態(tài)，若無同一CE空間的讀請求，繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展保持狀態(tài)遞減計時，若擴(kuò)展保持時間計數(shù)器結(jié)束，進(jìn)入IDLE（空閑）狀態(tài)。

寫操作的流程和讀操作時類似的，將讀寫操作組合，構(gòu)成FLASH存儲控制器的整個狀態(tài)機(jī)。

3.4 數(shù)據(jù)通路模塊

該模塊主要根據(jù)FLASH存儲器的位寬度與讀寫時序計數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值，對地址信號、字節(jié)使能信好和寫數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。在DSP讀FLASH存儲器的數(shù)據(jù)時，要根據(jù)存儲器的位寬度和讀寫時序計數(shù)器的數(shù)值，將要讀的數(shù)據(jù)組裝后發(fā)送給DSP。

4 FLASH存儲控制器的功能測試

本文采用Modelsim仿真工具(主要用于模塊級與部件級模擬)與Ncverilog(后期用于系統(tǒng)級模擬)仿真工具，外接FLASH存儲器的軟核,對FLASH存儲控制器進(jìn)行功能驗證，以DMA總線訪存來測試，依次測試了8b、16b、32b的異步存儲器，給出的示例為不采樣ARDY，寫32b的數(shù)據(jù)F00FFF0F的情況，如圖3所示，其中EA為地址信號，BE為字節(jié)使能信號，CE位片選信號，AOE為FLASH存儲器的輸出使能信號，AWE為寫選通信號，ED_OUT為FLASH存儲控制器對外輸出的數(shù)據(jù)。

圖3 DMA向8位的FLASH存儲器寫32位的數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的FLASH存儲器接口,在一定程度上解決了DSP片內(nèi)存儲空間的不足，用戶可以借助于FLASH存儲器接口，構(gòu)建高速度、大容量的片外存儲空間。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，F(xiàn)LASH存儲器接口掛在總線上，盡量滿足IP核的可重用設(shè)計，即不需要對結(jié)構(gòu)做大的改動，就可以重構(gòu)一個滿足不同需求的片上外部存儲器接口，只需要替換總線接口模塊為其他類型的片上總線即可。

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劉宗福（1984—），山東高密人，碩士研究生，工程師，主要從事雷達(dá)信號處理工作。

作者簡介：