??? 摘 要： 以AT45DB041B為例,，將FPGA和大容量" title="大容量">大容量串行flash存儲芯片" title="存儲芯片">存儲芯片的優(yōu)點有效地結合起來,，實現(xiàn)了FPGA對串行存儲芯片的高效讀寫操作,，完成了對大量測量數(shù)據(jù)的存儲處理和與上位機" title="上位機">上位機的交換,，并在某電力局項目工頻場強環(huán)境監(jiān)測儀中成功應用,。
??? 關鍵詞： FPGA; 串行flash; 存儲交換" title="存儲交換">存儲交換; UART; VHDL
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??? 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)采用基于芯片的設計方法,，具有穩(wěn)定可靠,、抗干擾能力強,、可以反復編程、易于修改等特點,，極大地增強了設計的靈活性,，提高了設計的實現(xiàn)速度；大容量串行flash存儲芯片價格低,，管腳少,，結構簡單，使用SPI對數(shù)據(jù)進行訪問,，方便了硬件規(guī)劃,，增強了系統(tǒng)可靠性，減少了轉換噪聲，縮小了封裝尺寸,，也節(jié)省了大量的FPGA的I/O口,。兩者的有效結合可以使得大量數(shù)據(jù)的存儲交換更加高效穩(wěn)定可靠。
1 設計背景
??? 在筆者的多通道工頻場強環(huán)境監(jiān)測儀項目中,，需要在無人監(jiān)控的情況下,，長期定時采集高壓架空線和變電站周圍的電磁場強度及溫濕度數(shù)據(jù)，并及時進行存儲處理,，隨時供上位機通過UART訪問分析,。這必然涉及到大量測量數(shù)據(jù)的存儲交換。本設計選用ALTRERA公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8作為主控芯片,，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和交換,，選用ATMEL公司的串行flash—AT45DB041B，用以對測量數(shù)據(jù)的存儲,。本文以實際項目為例,，闡述利用FPGA和大容量串行flash存儲芯片的優(yōu)點，有效解決大量測量數(shù)據(jù)存儲交換問題的方法,。
2 芯片介紹
2.1 EP1C3T144C8
??? EP1C3T144C8采用了基于全層銅SRAM工藝,，支持多種I／O標準，2 910個LEs,，1個內部PLL,，13個M4K RAM塊，59 904個RAM位,，104個可供使用的I/O。
2.2 AT45DB041B
2.2.1 基本原理
??? 該存儲器主要由主存儲器和兩個264B的緩存構成,，主存儲器容量約為4Mbit,，分為2 048頁，每頁也為264B,。
??? AT45DB041B具有多種封裝形式,，圖1是SOIC-8封裝下的管腳圖。其各管腳的定義與功能如下：
??? 1腳：SI,，串行數(shù)據(jù)輸入端,；
??? 2腳：SCK，串行時鐘信號,。數(shù)據(jù)在SCK上升沿輸入,，下降沿輸出；
??? 3腳：
復位信號,，低電平有效,。由于芯片內部有上電復位電路，不用時此管腳可直接接高電平,；
??? 4腳：
片選信號,，低電平有效,；
??? 5腳：
寫保護信號，低電平有效,。若此腳為低,，則主存儲區(qū)前256頁不能被擦寫編程，如果不用此功能,，可直接接高電平,；
??? 6腳：VCC，電源輸入端,；
??? 7腳：GND,，電源地；
??? 8腳：SO,，串行數(shù)據(jù)輸出端,。
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2.2.2 器件操作
??? AT45DB041B的操作命令分為讀命令、編程和擦寫命令以及附加命令,，其具體的指令和讀寫操作方式很多文章和資料已有介紹,，限于篇幅，本文只將要用到的命令作簡要的介紹,。
??? (1)讀主存儲區(qū)
??? 不經過緩沖區(qū)讀主存儲區(qū)任一頁,，緩沖區(qū)內容不會改變。指令格式后續(xù)的SCK信號將使數(shù)據(jù)依次從SO端輸出,。如果讀到了指定頁的最后字節(jié),，將自動跳回到頁首起始位置，循環(huán)讀取,。整個過程中,，/CS必須保持為低電平，/CS從低到高的跳變將中止讀操作,，并三態(tài)SO引腳,。
??? (2)連續(xù)讀主存儲區(qū)
??? 不經過緩沖區(qū)直接讀任意存儲單元的內容，緩沖區(qū)內容也不會改變,。指令格式后續(xù)的SCK時鐘信號將使數(shù)據(jù)依次從SO端輸出,。如果讀到了整個主存儲區(qū)的最后字節(jié)，將自動跳回主存儲區(qū)起始位置,，循環(huán)讀取,，頁與頁之間及主存儲區(qū)首尾之間沒有延時。整個過程中,，/CS必須保持為低電平,，/CS從低到高的跳變將中止讀操作，并三態(tài)SO引腳。
??? (3)寫緩沖區(qū)
??? 數(shù)據(jù)能夠通過SI端被寫入任意一個緩沖區(qū),。當寫到緩沖區(qū)結尾后仍有數(shù)據(jù)寫入時,，數(shù)據(jù)將從緩沖區(qū)起始字節(jié)依次寫入。只要/CS保持為低,，在SCK時鐘信號配合下,，數(shù)據(jù)將一直循環(huán)寫入，/CS從低到高的跳變將中止寫操作,。
??? (4)緩沖區(qū)寫入主存儲頁(帶擦除)
??? 事先寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可通過編程寫到主存儲頁中,。當指令寫完后，/CS由0變?yōu)?時,，芯片首先擦除待寫入頁,，然后再將指定緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)寫入主存儲頁。頁擦除和寫入操作由內置時鐘控制,，最長時間為tEP,。
2.2.3 時序
??? AT45DB041B的命令、地址,、附加位和數(shù)據(jù)都是通過SI,、SO引腳以位的形式輸入和輸出的，因此要采用FPGA產生讀寫時序時除正確理解其操作過程外,，另一個關鍵點在于正確理解位的發(fā)送和接收時序,，也就是數(shù)據(jù)如何按位移入或移出AT45DB041B。工作于SPI的inactive clock polarity high模式的時序如圖2所示,。
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3 實際應用
3.1 硬件接線
??? 硬件電路如圖3所示,。EP1C3T144C8的I/O和AT45DB041B的SI、SO,、SCK,、/RST、/CS引腳相連,，/WP接高電平，實現(xiàn)對串行flash的讀寫操作,；再由TXD,、RXD通過MAX232和9芯串口" title="串口">串口與上位機實現(xiàn)UART通信，完成數(shù)據(jù)的交換工作,。
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3.2 軟件設計
??? 一般的串行flash存儲芯片提供了許多操作命令,，可以根據(jù)不同的設計目的選擇不同的操作命令組合，實現(xiàn)對串行flash存儲芯片的不同操作,，滿足不同的設計要求,。
??? 在本設計中，要定時地采集高壓架空線和變電站周圍的電磁場強度及溫濕度數(shù)據(jù)，每次12個字節(jié),，并進行及時的存儲處理,，隨時供上位機通過UART讀取。
??? 在Quartus II中用VHDL編寫FPGA與AT45DB041B的接口程序,，其程序框圖如圖4所示,。
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??? 寫操作使用了寫緩沖區(qū)和緩沖區(qū)寫入主存儲頁(帶擦除)兩個命令。寫信號到時將規(guī)定寫入的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)后,，立即將緩沖區(qū)寫入主存儲頁,；寫完之后，再將當前的位置信息（主存儲區(qū)頁地址和頁內行地址）通過緩沖區(qū)寫到主存儲區(qū)的最后一頁,，供每次程序啟動時讀取來恢復存儲器的狀態(tài),，之后就進入idle狀態(tài)。
??? 讀操作使用了讀主存儲區(qū)和連續(xù)讀主存儲區(qū)命令,。讀存儲區(qū)是為了恢復每次寫入的位置信息,，以便在程序復位后繼續(xù)接著寫入數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)；讀信號到即發(fā)送連續(xù)讀主存儲區(qū)命令,，每讀完一個字節(jié)便通過串口發(fā)送到上位機,，接到串口發(fā)送完當前字節(jié)信號后，再繼續(xù)讀下一字節(jié),。當讀完寫操作時記錄的主存儲區(qū)當前頁或上位機給出發(fā)送出錯信號時,，結束讀操作。
??? 程序的實現(xiàn)采用了VHDL中的狀態(tài)機（state machine）,，它是描述一系列狀態(tài)轉換的時序電路,，它能夠很好地完成本設計中各狀態(tài)的條件的判斷和轉換。在程序設計過程中要特別注意幾個問題：
??? (1)程序剛啟動時的延時：這是為了使芯片工作在inactive clock polarity high模式,，保證芯片的正常運行,；
??? (2)讀過程中的延時：由于對flash訪問的時鐘（AT45DB041B可達20MHz）和用于UART發(fā)送的波特率（本設計中為9 600b/s）速度不匹配，而如果不作延時處理,，直接給一個周期的UART發(fā)送使能,，發(fā)送模塊就可能在自身時鐘的邊沿捕捉不到發(fā)送使能信號，為了保證正常發(fā)送,，必須對發(fā)送使能信號進行延時,；
??? (3)寫過程中的延時：由于擦除主存儲區(qū)并將緩沖區(qū)寫入所需的最長時間為tEP，為了確保每次都將數(shù)據(jù)成功寫入,，必須延時一段時間tEP再轉入其他狀態(tài),。
??? VHDL實現(xiàn)的基于RS232標準的UART簡單穩(wěn)定可靠，有很多文獻資料可供參考,，這里不再贅述,。
??? 本文采用FPGA結合VHDL編程來模擬SPI接口時序的方法實現(xiàn)了對大容量串行存儲器的訪問,，在UART的配合下完成了對大量測量數(shù)據(jù)的存儲交換工作，并在筆者設計的儀表中成功地應用,，運行穩(wěn)定可靠高效,。這里雖然是以ATMEL公司的AT45DB041B為例，但使用相同的方法,，對一系列其他類型的串行存儲芯片如Megawin公司的flash存儲器MM36SBO10等,，也可以進行類似的操作，對以后解決此類問題具有一定的參考價值,。
參考文獻
[1]?http://www.altera.com Cyclone Device Hand book, Volume 1
[2]?http://www.atmel.com AT45DB041B-SC datasheet
[3]?王勝輝,，律方成，張正平,，等.串行FLASH存儲器AT45DB041與單片機的接口設計及應用.電測與儀表,，2007,44(1)：65-68.
[4]?孫鵬. 大容量串行flash存儲器AT45DB041的原理與應用[J]. 電子制作，2007,，(1)：42-44.
[5]?黃智偉. FPGA系統(tǒng)設計與實踐.北京： 電子工業(yè)出版社,2005.
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