基于FPGA的可靠性E2PROM控制器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2010-4-8 17:17 發(fā)布者：我芯依舊

關(guān)鍵詞： FPGA , 可靠性 , 控制器 , 設(shè)計(jì)

1 E²PROM介紹及其應(yīng)用現(xiàn)狀

E²PROM(Electically Erasable Programmable Read-Only Memory)，即電可擦除只讀存儲(chǔ)器。它是一種非易欠性存儲(chǔ)器，掉電后數(shù)據(jù)依然存在(一般可保存長(zhǎng)達(dá)100年)，讀寫(xiě)耗電極低，擦寫(xiě)時(shí)只需相應(yīng)的電信號(hào)即可，控制方式簡(jiǎn)單，體積小巧。價(jià)格便宜，被廣泛應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性及可靠性要求較高的場(chǎng)合，如各類IC卡、智能家電、工業(yè)儀器儀表等。

但E²PROM使用壽命有限，一般為可擦寫(xiě)100萬(wàn)次，即某一位由1寫(xiě)為0或由0寫(xiě)為1的次數(shù)為100萬(wàn)次。一般的系統(tǒng)往往只對(duì)若干同定單元進(jìn)行頻繁的讀寫(xiě)，很容易造成這些單元的損壞。而常用的E²PROM存儲(chǔ)系統(tǒng)，只要某一個(gè)存儲(chǔ)單元損壞，即使其他絕大部分單元都是完好的，也只能將整個(gè)E²PROM芯片報(bào)廢。這既是對(duì)資源的浪費(fèi)，也是系統(tǒng)正常運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

為了延長(zhǎng)E²PROM芯片的壽命，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，本文提出一種較可靠的E²PROM控制器沒(méi)計(jì)方法，并在FPGA中用VHDL進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

2 本文E²PROM控制器的工作原理

在很多領(lǐng)域的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，可靠性對(duì)系統(tǒng)安全至關(guān)重要。為了避免系統(tǒng)出錯(cuò)，并延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命，本文在適當(dāng)犧牲存儲(chǔ)效率的前提下，著重考慮提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性。

E²PROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的損壞主要是由頻繁的寫(xiě)操作造成的。若要解決問(wèn)題，首先耍避免對(duì)同一單元進(jìn)行頻繁的擦寫(xiě)，降低存儲(chǔ)單元損壞的可能；其次當(dāng)某些單元損壞時(shí)，讀寫(xiě)控制器應(yīng)該能夠跳過(guò)這些損壞的單元，保證系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。本文設(shè)計(jì)的E²PROM控制器具有這兩個(gè)方面的功能。

本文的設(shè)計(jì)思想是，將整個(gè)EzpROM地址空間劃分為地址分配表區(qū)、備用區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，如圖1所示。

圖1 E²PROM地址空間劃分

在地址分配表區(qū)中只存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)區(qū)或備用區(qū)存儲(chǔ)單元的地址，初始時(shí)與數(shù)據(jù)區(qū)的每個(gè)存儲(chǔ)單元一一對(duì)應(yīng)；當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)所在的單元損壞時(shí)(由于頻繁讀寫(xiě)的是數(shù)據(jù)所在的單元，所以首先考慮這種情況)，則改用備用區(qū)某單元(通過(guò)改寫(xiě)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分配表單元存儲(chǔ)的地址，使其指向改用的備用區(qū)某單元來(lái)實(shí)現(xiàn))，以后每次讀寫(xiě)都指向新的存儲(chǔ)單元，這樣就跳過(guò)了損壞的單元；若要避免對(duì)相同單元頻繁擦寫(xiě)，則每過(guò)一段合適的時(shí)間對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)分配表進(jìn)行更新，或?qū)φ麄€(gè)E²PROM空間重新劃分；判斷某存儲(chǔ)單元是否損壞的方法是，對(duì)該單元進(jìn)行寫(xiě)操作之后立刻回讀，若讀寫(xiě)內(nèi)容一致則該單元正常，否則已損壞；備用區(qū)的首地址存儲(chǔ)該區(qū)域未使用部分的開(kāi)始地址，以方便數(shù)據(jù)單元損壞時(shí)使用該單元，每當(dāng)有數(shù)據(jù)單元損壞后使用了該單元，備用區(qū)首地址則指向下一單元。

這樣，E²PROM中保存數(shù)據(jù)區(qū)域的損壞單元都能被跳過(guò)，只有保存地址的地址分配表和備用區(qū)首地址單元的損壞對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有致命的影響。而備用區(qū)首地址單元的寫(xiě)頻率是最高的，保存數(shù)據(jù)的單元每出現(xiàn)一個(gè)損壞單元就要對(duì)其改寫(xiě)一次。因此，理論上當(dāng)有100萬(wàn)個(gè)單元(1MB)因?qū)懖僮鲹p壞時(shí)，備用區(qū)首地址單元的壽命也即耗盡。但目前較常用的E²PROM芯片的容量最大也就若干MB，如果出現(xiàn)近100萬(wàn)個(gè)損壞單元，芯片早已應(yīng)該報(bào)廢。所以，理論上該方法已足夠可靠。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文E²PROM存儲(chǔ)芯片選用ATMEL公司的AT24C01，F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司的CycIone II系列。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要分為FPGA部分和E²PROM部分。FPGA接受外界控制信號(hào)、數(shù)據(jù)及時(shí)鐘等信號(hào)，并對(duì)E²PROM進(jìn)行控制。E²PROM根據(jù)FPGA的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。

AT24C01內(nèi)部數(shù)據(jù)單元組織方式為128x8位。將其分為三部分：前48x8位作為地址分配表區(qū)，地址范圍0000000～0101111；中間32x8位作為備用區(qū)，地址范圍為0110000～1001111；后48x8位為數(shù)據(jù)區(qū)。地址范圍為1010000～1111111。地址空間劃分說(shuō)明如圖2所示。
本文的E²PROM控制器在FPGA中用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。用有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 AT24C01 E²PROM讀寫(xiě)控制原理

4．1 I2C總線工作原理

AT24C01采用簡(jiǎn)單的雙向兩線串行總線PC總線標(biāo)準(zhǔn)。I2c總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中共有四種基本類型信號(hào)：

(1)開(kāi)始信號(hào)，當(dāng)SCL為高電平時(shí)SDA由高電平向低電平跳變，表明傳送數(shù)據(jù)開(kāi)始；
(2)結(jié)束信號(hào)，當(dāng)SCL為高電平時(shí)SDA由低電平向高電平跳變，表明傳送數(shù)據(jù)結(jié)束；
(3)數(shù)據(jù)信號(hào)。即SDA線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，當(dāng)SCL為高電平時(shí)有效，不允許改變，當(dāng)SCL為低電平無(wú)效。允許改變；
(4)應(yīng)答信號(hào)，接收端正確接收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送端發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。

4．2兩線E²PROM字節(jié)讀寫(xiě)工作原理

兩線E²PROM的寫(xiě)操作方式分為字節(jié)寫(xiě)和按頁(yè)寫(xiě)。讀操作方式分為字節(jié)讀和順序讀。本文僅使用以最基本的讀寫(xiě)方式——字節(jié)寫(xiě)和字節(jié)讀方式為例說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程，其它讀寫(xiě)方式的設(shè)計(jì)過(guò)程與此相似。

(1)E²PROM的字節(jié)寫(xiě)操作。在控制器對(duì)E²PROM發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)之后，緊接著發(fā)送一個(gè)8位的寫(xiě)控制字。控制字的組成包括4位12C特征碼(E²PROM一般為“1010”)、3位芯片地址碼(單片E²PROM為“000”)以及1位讀寫(xiě)狀態(tài)位(讀操作為‘1’，寫(xiě)操作為‘0’)。 E²PROM正確接收到寫(xiě)控制字后，發(fā)送l位低電平的應(yīng)答信號(hào)。控制器緊接著發(fā)送E²PROM存儲(chǔ)單元地址和要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。E²PROM每次止確地接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)都要發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)返回給控制器。隨后控制器發(fā)送停止信號(hào)，對(duì)E²PROM寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的操作完成。

(2)E²PROM的字節(jié)讀操作。E²PROM的讀操作包括寫(xiě)地址和讀數(shù)據(jù)兩個(gè)階段。控制器首先發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和8位的寫(xiě)控制字節(jié)(讀些狀態(tài)位R/W=‘0’)，E²PROM正確接收到控制字后發(fā)送1位低電平的應(yīng)答信號(hào)，之后控制器發(fā)送8位的E²PROM地址。通過(guò)寫(xiě)操作設(shè)置E²PROM存儲(chǔ)單元地址。接著控制器再發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和讀控制字節(jié)(此時(shí)R/W=‘1’)，啟動(dòng)讀操作，E²PROM收到信息后發(fā)送1位的低電平應(yīng)答信號(hào)，然后將指定單元的數(shù)據(jù)發(fā)送到SDA線上，控制器正確收到數(shù)據(jù)后返回一個(gè)低電平的應(yīng)答信號(hào)給E²PROM，隨后發(fā)送停止信號(hào)，字節(jié)讀操作結(jié)束。

5 可靠性E²PROM控制器設(shè)計(jì)

本文用VHDL語(yǔ)言，以有限狀態(tài)機(jī)的方式在實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)E²PROM的控制。對(duì)于一般的讀寫(xiě)過(guò)程，只需要7個(gè)基本狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)，即：空閑，開(kāi)始。寫(xiě)控制字，寫(xiě)地址，寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)，停止。

但由于本文的讀寫(xiě)過(guò)程較為復(fù)雜，雖然基本的狀態(tài)仍為這7個(gè)，但如果僅用這7種狀態(tài)，會(huì)使得程序流程異常繁雜。考慮到每次讀寫(xiě)中都首先要從地址分配表中讀出數(shù)據(jù)地址，然后才在數(shù)據(jù)地址讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，這兩個(gè)階段雖然過(guò)程相近，但狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件不同，將它們分離開(kāi)來(lái)能使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換和程序流程更清晰。所以本系統(tǒng)對(duì)這兩個(gè)階段的狀態(tài)分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，用14個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)整個(gè)讀寫(xiě)過(guò)程，即：S0空閑，S1開(kāi)始，S2控制字(寫(xiě)操作)。s3寫(xiě)地址，s4開(kāi)始，S5控制字(讀操作)，S6讀數(shù)據(jù)(從地址分配表中讀取數(shù)據(jù)地址)，S7結(jié)束(查表結(jié)束，此后為數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程)，S8開(kāi)始，S9寫(xiě)控制字，S10寫(xiě)地址，Sll寫(xiě)數(shù)據(jù)，S12讀數(shù)據(jù)，S13停止。其中Sl到S7為查地址分配表的過(guò)程．S8到S13為進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)的E²PROM采用的方法需要首先對(duì)E²PROM芯片進(jìn)行格式化，即對(duì)整個(gè)E²PROM存儲(chǔ)空間進(jìn)行劃分，建立地址分配表。這個(gè)過(guò)程為基本寫(xiě)操作的循環(huán)，可以嵌入系統(tǒng)讀寫(xiě)過(guò)程中。

因此，整個(gè)系統(tǒng)共有3個(gè)主要進(jìn)程：時(shí)鐘產(chǎn)生進(jìn)程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程和狀態(tài)控制進(jìn)程。

1、時(shí)鐘產(chǎn)生進(jìn)程，負(fù)責(zé)產(chǎn)生滿足系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘，主要是E²PROM的SCL，并且為了方便方便按照時(shí)鐘要求讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，將SCL周期內(nèi)劃分為4個(gè)子周期。工作在1．8V、2．5V和2．7v時(shí)，E²PROM的工作頻率為100KHz。本文采用100M的外
部晶振產(chǎn)生外部時(shí)鐘clk，則需進(jìn)行1000分頻來(lái)產(chǎn)生E²PROM所需的SCL時(shí)鐘信號(hào)。該進(jìn)程如下：

CLK_GEN：PROCESS(clk)
BEGIN
IF clk’EVENT AND clk=’1’THEN
IF ncount=499 THEN
ncount<=0；sclsig<=NOT sclsig；
ELSE ncount<=ncount+l；
END IF：
END IF；
sel<=selsig；
END PROCESS；

2、狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)，代碼如下：

STATE_TRANS：PROCESS(sclsig)
BEGIN
IF sclsig’EVENT AND sclsig=’0’THEN
curstate<=nextstate；
END IF；
END PROCESS

3、狀態(tài)控制進(jìn)程，負(fù)責(zé)在格式化及讀寫(xiě)過(guò)程中各種信號(hào)的設(shè)置，這是整個(gè)系統(tǒng)最復(fù)雜也是最核心的部分，其本質(zhì)就是系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的VHDL代碼實(shí)現(xiàn)。但其過(guò)程相當(dāng)繁瑣，在這里只能將這個(gè)進(jìn)程代碼的主要部分展示出來(lái)，然后對(duì)各狀態(tài)的具體操作進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼f(shuō)明。

本進(jìn)程的主要代碼如下：

STATE_CTR：PROCESS(clk)
BEGIN
IF clk’EVENT AND clk=’1’THEN
CASE curstate IS
WHEN S0=>
IF rwf/="00"
THEN nextstate<=S1；
END IF;
......
WHEN S13=>
IF sclsig=O AND ncount=499
THEN sda<=’0’：
ELSIF sclsig=1 AND nclk=124
THEN sda<=’1’；nextstate<=sO；
END IF；
END CASE；
END IF；
END PROCESS；

圖3系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

對(duì)各狀態(tài)的說(shuō)明如下：

S0：空閑狀態(tài)，檢測(cè)rwf信號(hào)輸入。如果為格式化命令(“l(fā)l”)則轉(zhuǎn)入S8，如果為讀操作或?qū)懖僮髅?分別為“0l”和“10”)則轉(zhuǎn)入S1。
S1：產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。完成后轉(zhuǎn)入入S2。
S2：向SDA線輸出寫(xiě)操作控制字。完成后轉(zhuǎn)入S3。
S3：寫(xiě)地址(由外部輸入)。即所需操作的數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)在地址分配表中的地址。完成后轉(zhuǎn)入S4。
S4：產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。完成后轉(zhuǎn)入S5。
S5：向SDA線讀操作控制字。完成后轉(zhuǎn)入S6。
S6：讀取數(shù)據(jù)，此處為所需數(shù)據(jù)所在的地址。完成后轉(zhuǎn)入s7。
S7：產(chǎn)生結(jié)束信號(hào)。完成后轉(zhuǎn)入S8。至此查表過(guò)程結(jié)束，此后為實(shí)際讀寫(xiě)過(guò)程。
s8：產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。完成后轉(zhuǎn)入S9。
S9：輸出控制字。如果在讀操作過(guò)程中且為第二次進(jìn)入該狀態(tài)，則向SDA線輸出讀操作控制字，完成后轉(zhuǎn)入S12；否則輸出寫(xiě)操作控制字，完成后轉(zhuǎn)入S1O。
S1O：寫(xiě)地址(即S6狀態(tài)中讀取的數(shù)據(jù))。完成后，如果為讀操作則轉(zhuǎn)入S11，否則轉(zhuǎn)入S8。
S11：寫(xiě)數(shù)據(jù)，向SDA線寫(xiě)外部提供的數(shù)據(jù)。完成后轉(zhuǎn)入S13。
S12：讀數(shù)據(jù)，完成后轉(zhuǎn)入S13。
S13：產(chǎn)生結(jié)束信號(hào)。如果處于讀操作結(jié)束狀態(tài)，則轉(zhuǎn)入SO；如果處于寫(xiě)操作結(jié)束狀態(tài)并且沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)回讀以檢查所寫(xiě)單元是否正常。則轉(zhuǎn)入S6進(jìn)行回讀；如果處于寫(xiě)操作回讀結(jié)束狀態(tài)，無(wú)誤則轉(zhuǎn)入S0，有誤則轉(zhuǎn)入S1讀備用區(qū)首地址；如果是對(duì)備用區(qū)寫(xiě)操作回讀有誤，則地址加l后進(jìn)入S6寫(xiě)下一地址，直至能正確寫(xiě)入，之后將地址加1寫(xiě)入備用區(qū)首地址．然后轉(zhuǎn)入S0；如果處于格式化過(guò)程中，則地址加1后轉(zhuǎn)入S8，直到格式化結(jié)束轉(zhuǎn)入S0。

6 仿真結(jié)果和結(jié)論

圖4寫(xiě)操作功能仿真的部分波形

圖5讀操作功能仿真的部分波形

在Quartos II軟件中對(duì)本文設(shè)計(jì)的E²PROM控制器進(jìn)行了功能仿真。寫(xiě)操作和讀操作功能仿真的部分波形如圖4和圖5所示。根據(jù)仿真波形可知，其結(jié)果與預(yù)期基本一致。在工程中的成功應(yīng)用也證明了本設(shè)計(jì)的正確性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)E²PROM存儲(chǔ)空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐郑灶愃浦羔樀姆绞竭M(jìn)行讀寫(xiě)操作，減少了系統(tǒng)對(duì)特定存儲(chǔ)單元的依賴，提高了系統(tǒng)的可靠性。

作者：接輝，顧文燦來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期

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