抗輻射MRAM的外部程序存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

謝妮慧，王淳，何海燕

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

抗輻射MRAM的外部程序存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

謝妮慧，王淳，何海燕

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

本文提出了一種基于MRAM的外部程序存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)方案，并以3D-PLUS公司的MRAM芯片3DMR2M16VS2427為例介紹了一種不需要進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，采用通用擴(kuò)展語言(GEL，General Extension Language)函數(shù)編制在線編程程序，通過DSP仿真器實(shí)現(xiàn)的外部存儲(chǔ)器在線編程方法。

MRAM；GEL；在線編程；仿真器；CCS

引 言

以高性能DSP為核心的電子電路被廣泛應(yīng)用于空間飛行器的控制管理和數(shù)據(jù)處理中。為了方便對(duì)程序進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，保證系統(tǒng)掉電時(shí)指令、數(shù)據(jù)不丟失，一般都將DSP應(yīng)用程序存儲(chǔ)于外部非易失性存儲(chǔ)器芯片中，在系統(tǒng)上電或者復(fù)位時(shí)將存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器芯片中的應(yīng)用程序搬移到DSP片內(nèi)或者片外的RAM中全速運(yùn)行。這種搬移的過程稱為“自舉加載”，由DSP內(nèi)部程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)[1-2]。由于空間飛行環(huán)境的復(fù)雜性，要求空間飛行器集成電路中芯片具有抗輻照能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、正常工作的溫度范圍大等特點(diǎn)，對(duì)于程序存儲(chǔ)設(shè)備，還要求其具備容量大、讀取速度快、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)[3-6]。

MRAM(Magneto Resistive Random Access Memory，磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)是一種以磁電阻性質(zhì)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，MRAM具有非揮發(fā)性、隨機(jī)存儲(chǔ)、高讀寫速度、耗電量低、最小芯片面積、可以無限擦寫等各種優(yōu)良特性，被認(rèn)為是電子設(shè)備中的理想存儲(chǔ)器[7]。而且磁體本質(zhì)上是抗輻射的，抗輻射能力遠(yuǎn)較半導(dǎo)體材料強(qiáng)，使得MRAM具有極高的可靠性，尤其適用于空間飛行器電子電路中。

對(duì)外部存儲(chǔ)器的編程(又稱“燒寫”)包括編程器燒寫和在線燒寫兩種方法。編程器燒寫是指通過專門的編程器將存儲(chǔ)器可以識(shí)別的文件格式燒寫到外部存儲(chǔ)器芯片中；在線燒寫是指在TI公司DSP產(chǎn)品開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)中，采用仿真器通過JTAG總線將程序燒入到片外部的存儲(chǔ)器芯片中。編程器燒寫較容易實(shí)現(xiàn)，但只適用于非直接焊于電路板上的外部存儲(chǔ)器芯片，而在線燒寫需要編制及調(diào)試在線燒寫程序，但適用于任何封裝的外部存儲(chǔ)器芯片，由于其靈活的在線可編程性，被廣泛使用[8-10]。

由于CCS編譯鏈接之后生成的.out文件格式不能直接用于外部存儲(chǔ)器的燒寫，以往的外部存儲(chǔ)器在線燒寫方法都需要對(duì).out文件進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換，過程非常繁瑣。GEL(General Extension Language，通用擴(kuò)展語言)是一種類似于C語言的解釋性語言，可用于創(chuàng)建GEL函數(shù)以擴(kuò)展CCS的功能。本文介紹了一種不需要進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，采用GEL語言編制在線燒寫程序，通過DSP仿真器實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器在線編程的方法。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用的是浮點(diǎn)型宇航級(jí)數(shù)字信號(hào)處理器SMV320C6701GLPW14(以下簡(jiǎn)稱C6701DSP)，其外圍電路包括：低壓差穩(wěn)壓器、晶振、上電復(fù)位電路以及看門狗電路等。CE1空間作為DSP的程序空間，C6701在上電過程中，會(huì)通過DMA從CE1空間的外部程序存儲(chǔ)器中復(fù)制64K×8bit的數(shù)據(jù)到地址0處的C6701內(nèi)部存儲(chǔ)器，然后從0地址處開始執(zhí)行[10]。外部程序存儲(chǔ)器芯片選用了3D-PLUS公司的128K×16bit的MRAM芯片3DMR2M16VS2427。采用集成可視化開發(fā)環(huán)境CCS作為開發(fā)環(huán)境，DSP與16位MRAM芯片的接口示意圖如圖1所示。

圖1 DSP與16位MRAM芯片的接口示意圖

1.1 DSP與MRAM簡(jiǎn)介

C6000系列DSP是1997年美國(guó)TI公司推出的DSP芯片，其中SMV320C67xx系列是32位浮點(diǎn)型DSP，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加了浮點(diǎn)運(yùn)算能力，內(nèi)部集成了多個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力可達(dá)1 GFLOPS(單精度運(yùn)算)和250 MFLOPS(雙精度運(yùn)算)；此外，還集成了大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的片外存儲(chǔ)器尋址接口以及豐富的智能外設(shè)。除了強(qiáng)大的硬件功能外，芯片開發(fā)的軟件支持也是一大特色，配備高效C編譯器，可達(dá)到匯編效率的70%～80%，因此，絕大部分程序可以使用C語言來編寫，增強(qiáng)了程序的可移植性。

磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM是一種以磁電阻性質(zhì)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，它采用磁化的方向不同所導(dǎo)致的磁電阻不同來記錄0和1，只要外部磁場(chǎng)不改變，磁化的方向就不會(huì)改變。與大部分半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)技術(shù)不同的是，MRAM中的數(shù)據(jù)以一種磁性狀態(tài)而非電荷存儲(chǔ)，并且通過測(cè)量電阻來感應(yīng)，不會(huì)干擾磁性狀態(tài)。采用磁性狀態(tài)存儲(chǔ)有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：①磁場(chǎng)極性不像電荷那樣會(huì)隨著時(shí)間而泄漏，因此即使在斷電的情況下，也能保持信息(即非易失性)；②在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)極性時(shí)，不會(huì)發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng)，讀取數(shù)據(jù)的操作過程并不破壞存儲(chǔ)單元的磁化狀態(tài)，這樣也就不會(huì)有所謂的失效機(jī)制(即非破壞性讀取)[11]。

由于在自由磁體層中來回切換的運(yùn)動(dòng)是電子的自旋，而電子本身永遠(yuǎn)不會(huì)磨損，因此具有承受無限多次讀寫循環(huán)的能力，而且磁體本質(zhì)上是抗輻射的，因此抗輻射能力遠(yuǎn)較半導(dǎo)體材料強(qiáng)，使得MRAM具有極高的可靠性，特別適合工作于空間復(fù)雜的環(huán)境。MRAM易于集成，能夠方便地嵌入到系統(tǒng)中。另外，穿隧型MTJ的電阻較高，只需要很小的讀取電流就可以得到相當(dāng)大的輸出功率。MRAM集結(jié)了快閃存儲(chǔ)器(FLASH)的非揮發(fā)性，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的快速讀取速度和低耗電量，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的無限次寫入，同時(shí)更具有永久記憶、密度高及非破壞性讀取等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)用于空間飛行器數(shù)字電路中的外部非易失性存儲(chǔ)器主要包括FLASH、PROM、EPROM和EEPROM等，性能比較如表1所列。

表1 各種存儲(chǔ)器性能比較

本文選用了3D-PLUS公司的MRAM芯片3DMR2M16VS2427作為外部程序存儲(chǔ)器，它具有體積小、性能高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，并具有較好的抗輻照指標(biāo)，以及較高的容量、高集成度等特點(diǎn)，適合于高可靠性的航天工程應(yīng)用。

1.2 GEL語言特點(diǎn)及其應(yīng)用

GEL通用擴(kuò)展語言是一種類似于C語言的解釋性語言，被廣泛應(yīng)用于調(diào)試及程序運(yùn)行環(huán)境的定制。TI公司DSP產(chǎn)品開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境CCS提供了豐富的內(nèi)建GEL函數(shù)庫(kù)，可以用來擴(kuò)展CCS的功能。CCS集成開發(fā)環(huán)境的菜單條中還專門提供了GEL菜單項(xiàng)供用戶進(jìn)行功能擴(kuò)展。以GEL函數(shù)庫(kù)及用戶自定義函數(shù)為基礎(chǔ)，用戶可以初始化、控制目標(biāo)DSP，向CCS集成開發(fā)環(huán)境中增加菜單項(xiàng)，創(chuàng)建隨CCS啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行的GEL文件，建立目標(biāo)的存儲(chǔ)器空間映射關(guān)系；此外，還可以定制CCS的工作空間，實(shí)現(xiàn)測(cè)試任務(wù)的自動(dòng)化；也能在CCS內(nèi)的觀察窗中加入GEL函數(shù)，使其在程序的每個(gè)斷點(diǎn)處得到執(zhí)行[12-13]。

2 MRAM的在線燒寫

2.1 MRAM(外部存儲(chǔ)器)燒寫方法

對(duì)外部存儲(chǔ)器的燒寫包括編程器燒寫和在線燒寫兩種方法。本文提出了一種在線燒寫的方法將DSP應(yīng)用程序固化到外部MRAM中。CCS編譯鏈接之后生成的.out文件可用于燒寫，但是.out文件格式為通用對(duì)象文件格式COFF(Common Object File Format)。COFF是二進(jìn)制的目標(biāo)文件形式，該文件提供了靈活的方法管理代碼段和目標(biāo)系統(tǒng)存儲(chǔ)器。在COFF格式下，程序被分成程序段、初始化數(shù)據(jù)段、未初始化數(shù)據(jù)段、自定義段等，每段都占據(jù)連續(xù)的存儲(chǔ)空間，段與段之間相互獨(dú)立。除此之外，COFF文件還包含有版本、段的數(shù)量、段的長(zhǎng)度和起始地址等一些額外的信息。但是COFF格式文件不能直接寫入外部存儲(chǔ)器，因?yàn)橥獠看鎯?chǔ)器中應(yīng)當(dāng)保存的是原始的DSP機(jī)器碼，即DSP應(yīng)用程序的二進(jìn)制文件，所以要首先實(shí)現(xiàn)文件格式的轉(zhuǎn)換。

常用的文件格式轉(zhuǎn)換有兩種方法：一是手動(dòng)提取COFF文件中的原始數(shù)據(jù)部分，這種方法比較復(fù)雜，但是有助于理解.cmd文件的編寫原理以及鏈接器的工作過程；二是借助CCS自帶的工具將生成的.out文件轉(zhuǎn)換為.hex格式文件，然后利用專門的燒寫工具將.hex格式文件寫入到片外存儲(chǔ)器中。

圖2 在線燒寫流程

以上兩種方法都需要進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，且過程繁瑣。雖然.out文件不能直接用于片外MRAM燒寫，但CCS具有存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)保存和加載功能。利用CCS開發(fā)工具將用戶程序編譯鏈接后生成的.out文件通過JTAG仿真器下載到DSP內(nèi)部的RAM中，用戶程序在DSP內(nèi)部RAM中就是以二進(jìn)制的格式存儲(chǔ)的機(jī)器碼，然后將二進(jìn)制機(jī)器指令數(shù)據(jù)保存起來，它可以直接通過在線編程的方法燒寫到片外的MRAM中去，這樣就不必進(jìn)行.out格式文件的轉(zhuǎn)換，可方便容易地完成片外MRAM直接燒寫。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

2.2 二進(jìn)制文件的提取

(1) 保存二進(jìn)制文件

通過CCS編譯連接之后生成的.out文件通過仿真器加載到DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器之后，將內(nèi)部存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制機(jī)器指令數(shù)據(jù)保存起來，具體操作為File->Dada->Save，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為.dat文件格式。我們可以通過目標(biāo)工程文件夾中的.map文件查看該程序代碼占用了哪些存儲(chǔ)區(qū)域，然后存儲(chǔ)略大于實(shí)際使用長(zhǎng)度的一段數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 .map文件

(2) 二進(jìn)制文件的分割

內(nèi)部存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制機(jī)器指令數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)為32位，而本文外部MRAM的寬度為16位，因此需要將保存的32位.dat文件轉(zhuǎn)換為16位的.dat文件。注意外部存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)順序?yàn)橄却?2位數(shù)據(jù)的低16位，然后再存高16位。dat文件如圖4、圖5所示，左邊為保存的內(nèi)部存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制機(jī)器指令數(shù)據(jù)，右圖為實(shí)現(xiàn)文件分割之后的二進(jìn)制文件。

圖4 原32位.dat文件

圖5 16位.dat文件

.dat文件的分割采用編寫MATLAB程序進(jìn)行分割，具體的分割程序?yàn)椋?/p>

fid=fopen(′old32.dat′,′r′);//用只讀方式打開32位的dat文件

fseek(fid,0,′eof′);//將指針移到文件的最后一個(gè)字符

filesize=ftell(fid);//文件的長(zhǎng)度

fseek(fid,0,′bof′);//將指針移到文件的第一個(gè)字符

c=fread(fid,filesize,′uint8=>uint8′);

//讀取dat文件，將字符放在數(shù)組c中

c0=c′;

for i=1:1:filesize;

e(i)=c0(i);

end;

e(filesize+1)=13;

e(filesize+2)=10;

row0=ceil((filesize+1)/12);

row=2*row0;

//16位dat文件的行數(shù)是原32位dat文件行數(shù)的兩倍

for i=1:1:row;

if(mod(i,2)==0)//偶數(shù)行的字符

for j=1:1:6;

d(i*8-8+j)=e((i/2-1)*12+j);

end;

d(i*8-8+7)=13;

d(i*8-8+8)=10;

end;

if(mod(i,2)==1)//奇數(shù)行的字符

for j=3:1:8;

d(i*8-8+j)=e(fix(i/2)*12+j+4);

end;

d(i*8-8+1)=48;

d(i*8-8+2)=120;

end;

end;

fid1=fopen('new16.dat','w');//用只寫的方式打開一個(gè)新的文件

count=fwrite(fid1,d,'uchar');

//將數(shù)組d以字符的形式寫入新的文件

2.3 燒寫程序的編寫

(1) GEL文件的編寫

編寫在線燒寫程序的目的就是為了將前面保存的二進(jìn)制機(jī)器碼寫到外部存儲(chǔ)器MRAM中去。通過編寫.GEL文件在GEL菜單下增加外部存儲(chǔ)器的擦除、燒寫等子菜單項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)外部MRAM的燒寫等功能。關(guān)鍵詞menuitem創(chuàng)建一級(jí)子菜單，hotnenu、dialog和slider三個(gè)GEL關(guān)鍵詞創(chuàng)建二級(jí)子菜單。其中hotnenu用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以立即執(zhí)行的GEL函數(shù)，dialog用來產(chǎn)生一個(gè)可以輸入?yún)?shù)的對(duì)話框，slider則用來產(chǎn)生一個(gè)滑動(dòng)條，通過滑動(dòng)條改變相應(yīng)GEL函數(shù)的參數(shù)值。

在CCS編譯環(huán)境下新建MRAM.gel文件，首先在GEL菜單下建立“MRAM”菜單選項(xiàng)，然后建立MRAM菜單的下一級(jí)子菜單 “WriteMRAM”。“WriteMRAM”包含CoffName和Length兩個(gè)參數(shù)，CoffName為燒寫的可執(zhí)行應(yīng)用程序二進(jìn)制文件，Length為文件的長(zhǎng)度，分別以對(duì)話框的形式輸入。MRAM.gel文件中程序如下所示:

menuitem"MRAM";//建立MRAM菜單

dialog WriteMRAM(CoffName "COFF文件:",Length "數(shù)據(jù)長(zhǎng)度:") //子菜單{

GEL_Reset();

GEL_TextOut("Flash Write Starting... ",,1);

GEL_MemoryLoad(0x01400000, 0, Length, CoffName);

//從地址0x01400000開始寫入文件

GEL_TextOut("Flash Write Finished123 ",,1);

GEL_TextOut("Flash Write Finished ",,1);

}

(2) MRAM的在線燒寫

將編寫完成的GEL文件加載到CCS，具體操作為在CCS工具的左側(cè)菜單下，選中GEL files，右鍵Load GEL，加載編寫好的GEL文件，此時(shí)GEL菜單項(xiàng)即被激活。然后點(diǎn)擊GEL菜單下的子菜單：MRAM燒寫，輸入保存并分割好的.dat文件路徑，輸入文件長(zhǎng)度，點(diǎn)擊Execute，等待CCS窗口最下方出現(xiàn)“Flash Write Finished”字樣時(shí)，即完成了DSP應(yīng)用程序的在線燒寫全過程。

基于本文所用到的實(shí)驗(yàn)板，在MRAM燒寫完成之后，將DSP設(shè)置為外部MRAM啟動(dòng)模式，再重新上電運(yùn)行。通過完整的功能測(cè)試、性能測(cè)試以及接口測(cè)試，發(fā)現(xiàn)一切均為仿真器情況下的執(zhí)行效果，表明該MRAM已燒寫加載成功，證明了該在線編程方法是切實(shí)可行的。

結(jié) 語

MRAM由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有非揮發(fā)性、無限次可擦寫、體積小、性能高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，并具有較好的抗輻照指標(biāo)，以及較高的容量，適合于高集成度、高可靠性的航天工程應(yīng)用。傳統(tǒng)的外部程序存儲(chǔ)器在線燒寫方法都需要進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，過程繁瑣。本文以3D-PLUS公司的MRAM芯片3DMR2M16VS2427為例介紹了一種不需要進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，直接將編譯鏈接之后加載到仿真器中的可執(zhí)行機(jī)器二進(jìn)制碼保存，然后采用GEL函數(shù)編制在線燒寫程序，將可執(zhí)行二進(jìn)制機(jī)器碼燒寫到外部存儲(chǔ)器的方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法是切實(shí)可行的，而且操作簡(jiǎn)單方便。該方法同樣可用于其他種類的外部程序存儲(chǔ)器(例如FLASH、EPROM和EEPROM等)的在線燒寫。

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結(jié) 語

本文以實(shí)際工程案例為依托，針對(duì)FPGA驅(qū)動(dòng)TFT-LCD液晶屏進(jìn)行介紹，首先介紹了液晶屏主要控制信號(hào)功能，然后結(jié)合FPGA與液晶屏之間的80并口的時(shí)序進(jìn)行屏幕顯示功能控制分析，最后介紹了實(shí)際工程的軟件實(shí)

現(xiàn)，以及工程實(shí)施過程中的問題解決方案，具有一定的實(shí)際意義。

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宋云霞(助理工程師)，研究方向?yàn)楹教鞌?shù)字電路設(shè)計(jì)。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-11-04)

External Memory Design Based on Against-radiation MRAM

Xie Nihui,Wang Chun,He Haiyan

(Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094,China)

In this paper,an external program memory design scheme based on MRAM is proposed,and taking the MRAM chip 3DMR2M16VS2427 of 3D-PLUS as the example,the external memory online programming method through the DSP simulator is introduced,which does not need file format conversion,uses the General Extension Language(GEL) function programming online program.

MRAM;GEL;online programming;simulator;CCS

TP211

A

迪娜

2016-11-30)