基于FPGA的FLASH控制器的設計

摘 要

為了解決雷達數字波束形成系統中數據的存儲問題，本文設計了基于FPGA的FLASH控制器。通過有限狀態機實現對FLASH的讀寫控制，在modelsim中對設計進行了仿真驗證，并通過硬件測試證明了設計的正確性和可靠性。該方法充分利用了FPGA設計靈活、FLASH存儲讀寫速度快的優勢，具有成本低廉，兼容性強，易于工程實現的特點。

【關鍵詞】FPGA FLASH 控制器

隨著數字陣列雷達的高速發展，對數字波束形成的要求越來越高，在實時處理過程中有大量數據需要存儲。由于FPGA本身存儲容量非常小，無法滿足數字波束形成處理過程中的存儲需求。為解決這一問題，采用FPGA+FLASH的硬件架構，以FPGA實現對FLASH的存儲控制，極大的擴展系統存儲容量。

本文以Altera公司FPGA芯片EP4SGX230和AMD公司AM29LV065D為例，詳細說明了基于FPGA的FLASH控制器的設計，利用Verilog HDL語言編寫同步有限狀態機實現了FPGA與FLASH存儲的接口操作。

1 FLASH控制器硬件設計

FLASH芯片選用AMD公司AMD29LV065D型號，該型號芯片的主要特點有：3.3v單電源供電，內部進行編程和擦除操作；64Mbit存儲容量，內部分為128個扇區，可讀每個扇區單獨進行讀寫和擦除操作，而不影響其他扇區的數據；超低能耗，典型讀操作只需消耗9mA，典型擦除/編程操作只需消耗26mA，典型靜態模式只需消耗200nA；操作簡單，只需按規定的時序向FLASH內部命令寄存器寫入指令序列即可。

AMD29LV065D芯片的A[22：0]為地址總線，DQ[7：0]為三態數據總線，其它信號為芯片讀寫控制和操作標志信號。FPGA的引腳除電源、時鐘和復位以及幾個配置時鐘引腳外，其余引腳均可作為通用I/O使用。因此，與FLASH連接時，只需將FPGA的普通I/O引腳與FLASH引腳相連即可。FLASH電路圖如圖1所示。

2 FLASH讀寫模塊設計

AMD公司AM29LV065D芯片有90ns，100ns和120ns等3個速度等級，可充分滿足FPGA的工作時序要求。根據芯片的數據手冊采用Verilog HDL語言設計有限同步狀態機實現FLASH控制指令序列的時序狀態轉換，以完成對FLASH的擦除、讀、寫等操作。

2.1 FLASH擦除操作

擦除操作分為扇區擦除和整個芯片擦除，整片擦除的過程為：第一個時鐘周期在地址XXXH寫入AAH數據，接著第二個時鐘周期在地址XXXH寫入55H數據，第三個時鐘周期在地址XXXH寫入80H數據，第四個時鐘周期在地址XXXH寫入AAH，第五個時鐘周期在地址XXXH寫入55H，第六個時鐘周期在地址XXXH寫入10H。扇區擦除的過程與整片擦除的過程一致，只是第六個時鐘周期在地址處寫入相應扇區地址，數據處寫入30H。然后等待芯片內部完成擦除工作即可。FLASH扇區擦除或整個芯片擦除完成后，相應扇區或整個芯片內部所有數據位全部置成‘1。

2.2 FLASH寫操作

FLASH芯片的寫操作包括擦除操作和編程操作。在對相應扇區進行寫操作之前，必須先將該扇區的數據進行擦除處理。在擦除操作后整個扇區的數據均被置為FFH，即所有數據位均處于‘1的狀態。在寫數據時僅能使對應單元的數據位由‘1變為‘0。

擦除操作如2.1節所述。編程操作過程為：第一個時鐘周期在地址XXXH寫入AAH數據，接著第二個時鐘周期在地址XXXH寫入55H數據，第三個時鐘周期在地址XXXH寫入A0H數據，第四個時鐘周期在地址相應的地址寫入相應的數據。即可完成對單個數據的寫操作，循環多次可實現對整個扇區的寫操作。

2.3 FLASH讀操作

FLASH讀操作相對較簡單，其過程為：輸入地址XXXH，讀取輸出數據XXH即可。

2.4 FLASH控制狀態設計

利用有限狀態機來實現對FLASH擦除、讀、寫等狀態的跳轉。本文共設計有17個狀態。其中，狀態0為IDLE狀態，狀態1為工作模式判斷狀態，狀態2-7完成塊擦除操作，狀態8-12為寫狀態，狀態13為寫塊結束判斷狀態，狀態14為寫結束狀態，狀態15為讀狀態，狀態16為讀結束狀態。

系統工作時，首先判斷工作方式。當工作方式為寫時，先對寫操作對象扇區進行擦除處理，然后依次寫入數據，每寫一個數據后進行寫塊結束判斷，如當前塊已寫完畢，狀態跳轉至下一待寫扇區擦除狀態，直至所有待寫塊均寫完畢，狀態跳轉至IDLE狀態。當工作方式為讀時，直接對待讀地址依次進行讀取，每讀一個數據后進行讀結束判斷，直至所有待讀地址均讀完畢，狀態跳轉至IDLE狀態。

FLASH芯片在復位和命令操作出錯后均返回讀模式，只要輸出使能信號OE#，片選信號CE#處于低電平，即可將地址總線上對應地址存儲單元的數據送出。當按照規定的命令序列向FLASH存儲器發出命令時，狀態機自動地完成相應的操作。FLASH的狀態位為RY/BY#引腳，在對FLASH操作過程中，如該引腳輸出低電平表示FLASH處于忙狀態，操作完成后變成高電平，表示FLASH回到空閑狀態。

3 結束語

本文設計了基于FPGA的FLASH控制器，詳細說明了利用同步有限狀態機實現對FLASH存儲器的讀寫控制方法，并通過modelsim時序仿真驗證了該方法的正確性。該方法已成功應用于數字波束形成系統設計中，實踐證明了該方法的正確性和可靠性。本文所介紹的設計方法普遍適用于FPGA對NOR FLASH存儲器的讀寫控制。

參考文獻

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作者簡介

劉俊（1985- ）男，湖北省石首市人。碩士學位。現為南京電子技術研究所工程師。主要研究方向為雷達信號處理。

作者單位

南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210013