解放軍92785部隊(duì) 劉宗福

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片上FLASH存儲(chǔ)器接口的設(shè)計(jì)

解放軍92785部隊(duì) 劉宗福

【摘要】DSP片內(nèi)有限的存儲(chǔ)容量限制了其信息處理能力，針對(duì)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了外部存儲(chǔ)器接口，使DSP具有了和FLASH等異步存儲(chǔ)器的無(wú)縫接口，用戶可以方便的外接存儲(chǔ)器芯片來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。文章中給出了設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了RTL級(jí)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的外部存儲(chǔ)器接口在功能和時(shí)序上符合各種存儲(chǔ)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(hào)處理器；FLASH存儲(chǔ)器；外部存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)空間的要求較高，以滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳與存儲(chǔ)的要求。尤其在做導(dǎo)引頭飛行試驗(yàn)或防空反導(dǎo)訓(xùn)練時(shí)，需要外接存儲(chǔ)器來(lái)擴(kuò)展DSP的存儲(chǔ)空間，用于記錄試驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。目前用于DSP的存儲(chǔ)器芯片有ROM、Flash、SBSRAM、SDRAM等。然而，該類存儲(chǔ)器件的對(duì)外接口復(fù)雜，無(wú)法與DSP芯片進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，給基于DSP的雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)很多不便之處。因而本文設(shè)計(jì)的DSP中，片上集成了外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，支持Flash等多種存儲(chǔ)器，可以使DSP芯片實(shí)現(xiàn)和FLASH存儲(chǔ)器芯片的無(wú)縫連接。

1 功能介紹

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在DSP片上集成了外部存儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)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(qǐng)求按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁，每次選擇一個(gè)送到存儲(chǔ)器控制模塊，譯碼后送給相應(yīng)的控制器：FLASH存儲(chǔ)控制器、SBSRAM控制器、SDRAM控制器，本文主要介紹FLASH存儲(chǔ)控制器的設(shè)計(jì)。

圖1 EMIF的框圖

Flash存儲(chǔ)器接口也支持ROM、異步SRAM存儲(chǔ)器等，這類存儲(chǔ)器讀寫不需要時(shí)鐘。設(shè)計(jì)該類接口主要有兩個(gè)作用，一是為了加載程序，在DSP加電后，引導(dǎo)加載器可通過(guò)FLASH控制器接口將片外程序加載到DSP片上存儲(chǔ)器，另外，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)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(yàn)或訓(xùn)練結(jié)束后進(jìn)行事后數(shù)據(jù)分析。

圖2 FLASH存儲(chǔ)控制器的讀狀態(tài)機(jī)

2 FLASH存儲(chǔ)器讀寫操作流程

讀時(shí)序的過(guò)程如下所示（寫操作流程類似）：

（1）建立時(shí)間期間

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

（2）選通時(shí)間期間

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

（3）保持時(shí)間的停止

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

（4）擴(kuò)展保持時(shí)間期間

在保持時(shí)間結(jié)束后，需要插入擴(kuò)展保持周期，使FLASH存儲(chǔ)控制器發(fā)出的輸出使能信號(hào)和片選信號(hào)無(wú)效。加入擴(kuò)展保持時(shí)間，主要是考慮到在下一次訪問外部存儲(chǔ)空間時(shí)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)控制器可能會(huì)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(jì)

3.1 FLASH讀寫控制器的構(gòu)成

FLASH存儲(chǔ)控制器由計(jì)數(shù)器、有限狀態(tài)機(jī)FSM與數(shù)據(jù)通路三個(gè)功能模塊構(gòu)成。其中，整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)輸出FLASH存儲(chǔ)控制器的狀態(tài)信號(hào)，控制進(jìn)行指令譯碼與數(shù)據(jù)裝配。計(jì)數(shù)器模塊保存FLASH存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)序參數(shù)，根據(jù)FSM模塊的命令開始減1計(jì)數(shù)過(guò)程，計(jì)數(shù)結(jié)束后向FSM發(fā)出定時(shí)中斷，數(shù)據(jù)通路模塊根據(jù)FSM的當(dāng)前狀態(tài),定時(shí)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)、地址，同時(shí)負(fù)責(zé)讀寫數(shù)據(jù)內(nèi)容的裝配。

3.2 計(jì)數(shù)器模塊

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

表1 FLASH存儲(chǔ)控制器中的讀時(shí)序計(jì)數(shù)器

3.3 FSM模塊

FSM模塊接收來(lái)自EMIF控制模塊的指令，若其他存儲(chǔ)控制器與外部Hold請(qǐng)求（外部設(shè)備發(fā)出申請(qǐng)EMIF放棄控制存儲(chǔ)器的請(qǐng)求）未占用總線，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器模塊開始計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)數(shù)器模塊的定時(shí)結(jié)果，發(fā)出中斷信號(hào)改變FSM狀態(tài)。FSM不僅要輸出FLASH存儲(chǔ)控制器的狀態(tài)信號(hào)，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(hào)以及外部總線的輸出使能信號(hào)。本文以讀操作為例，設(shè)計(jì)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(chǔ)器的請(qǐng)求后，在等待其他存儲(chǔ)器（SDRAM等）空閑或外設(shè)HOLD請(qǐng)求結(jié)束后，立即進(jìn)入讀操作建立時(shí)間狀態(tài)。

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

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

(4)在讀操作選通時(shí)間結(jié)束前的第3個(gè)CPU時(shí)鐘上升沿采樣ARDY，若信號(hào)電平為低，進(jìn)入讀選通操作的擴(kuò)展等待時(shí)間，等到ARDY為高時(shí)進(jìn)入下一步（讀數(shù)據(jù)采樣）；若在讀操作選通時(shí)間結(jié)束前的第3個(gè)CPU時(shí)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(jì)數(shù)3個(gè)CPU時(shí)鐘周期，在讀操作選通時(shí)間的末尾（最后一個(gè)CPU時(shí)鐘上升沿）對(duì)數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)入下一步（讀保持狀態(tài)）。

(6)若讀保持時(shí)間計(jì)數(shù)器Rhold_Count為零，如有同一CE空間的讀請(qǐng)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(shí)間）；如果Rhold_Count不為零，進(jìn)入下一步（讀保持時(shí)間狀態(tài)）。

(7)讀保持時(shí)間狀態(tài)，Rhold_Count計(jì)數(shù)結(jié)束后，若有同一CE空間的讀請(qǐng)求，進(jìn)入第1步(重新開始讀操作)，若無(wú)進(jìn)入下一步（讀擴(kuò)展保持時(shí)間）。

(8)讀擴(kuò)展保持時(shí)間狀態(tài)，若有同一CE空間的讀請(qǐng)求到來(lái)，進(jìn)入讀建立時(shí)間狀態(tài)，若無(wú)同一CE空間的讀請(qǐng)求，繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展保持狀態(tài)遞減計(jì)時(shí)，若擴(kuò)展保持時(shí)間計(jì)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(shí)類似的，將讀寫操作組合，構(gòu)成FLASH存儲(chǔ)控制器的整個(gè)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(chǔ)器的位寬度與讀寫時(shí)序計(jì)數(shù)器的當(dāng)前數(shù)值，對(duì)地址信號(hào)、字節(jié)使能信好和寫數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。在DSP讀FLASH存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)時(shí)，要根據(jù)存儲(chǔ)器的位寬度和讀寫時(shí)序計(jì)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(chǔ)控制器的功能測(cè)試

本文采用Modelsim仿真工具(主要用于模塊級(jí)與部件級(jí)模擬)與Ncverilog(后期用于系統(tǒng)級(jí)模擬)仿真工具，外接FLASH存儲(chǔ)器的軟核,對(duì)FLASH存儲(chǔ)控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證，以DMA總線訪存來(lái)測(cè)試，依次測(cè)試了8b、16b、32b的異步存儲(chǔ)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(hào)，BE為字節(jié)使能信號(hào)，CE位片選信號(hào)，AOE為FLASH存儲(chǔ)器的輸出使能信號(hào)，AWE為寫選通信號(hào)，ED_OUT為FLASH存儲(chǔ)控制器對(duì)外輸出的數(shù)據(jù)。

圖3 DMA向8位的FLASH存儲(chǔ)器寫32位的數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的FLASH存儲(chǔ)器接口,在一定程度上解決了DSP片內(nèi)存儲(chǔ)空間的不足，用戶可以借助于FLASH存儲(chǔ)器接口，構(gòu)建高速度、大容量的片外存儲(chǔ)空間。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器接口掛在總線上，盡量滿足IP核的可重用設(shè)計(jì)，即不需要對(duì)結(jié)構(gòu)做大的改動(dòng)，就可以重構(gòu)一個(gè)滿足不同需求的片上外部存儲(chǔ)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(hào)處理工作。

作者簡(jiǎn)介：