基于FPGA的高速大容量FLASH存儲(chǔ)

1、引言
數(shù)字電路應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)通用的數(shù)字集成芯片已經(jīng)難以滿足系統(tǒng)的功能要求，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，所需通用集成電路的數(shù)量呈爆炸性增值，使得電路的體積膨大，可靠性難以保證 [1]。因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)。在我國 20世紀(jì) 90年代以前，測試系統(tǒng)采用磁帶記錄，效率和安全保障性不高；隨之出現(xiàn)的是遙測技術(shù)，但在傳輸數(shù)據(jù)的過程中會(huì)出現(xiàn)誤差；接著是靜態(tài)存儲(chǔ)器，它讀、寫方便，但是存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失，所以，不利于數(shù)據(jù)長時(shí)間保存；目前，閃存的問世，NOR和 NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)，它有存儲(chǔ)容量大、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，測試系統(tǒng)會(huì)逐步向這個(gè)方向發(fā)展。

2、設(shè)計(jì)思想

2.1核心芯片選擇
（1）接受芯片選擇 MAX491
此芯片為 RS-422/485擴(kuò)展芯片，為 DIP14封裝。MAX491有兩個(gè)控制端，如果兩個(gè)控制端由微處理器的一個(gè) I/O口控制，則總線，兩線制，半雙工工作。如果兩個(gè)控制端單獨(dú)控制，則總線為 RS-422總線，四線制，全雙工工作。 MAX491采用+5V電源供電，當(dāng)供電電流僅有 500uA時(shí)，傳輸速率卻能達(dá)到 2.5Mbits/s。它的內(nèi)部有一個(gè)傳輸線驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)傳輸線接收器，因此可以采用全雙工工作。
（2）FPGA采用Spartan-II系列Xc2s100
Spartan-II系列Xc2s100有著豐富的觸發(fā)器和 LUT(Look-Up-Table)，非常適合復(fù)雜時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)。FLASH采用SAMSUNG公司的 NANDFLASH芯片K9F8G08，接口寬度 8位。每個(gè)芯片含8192個(gè)數(shù)據(jù)塊，一個(gè)塊分為64頁，每頁大小為 (2K+64)Bytes，其中64Bytes為空閑區(qū)，存儲(chǔ)容量為8Gbit。它以頁為單位進(jìn)行讀寫，以塊為單位擦除、命令、數(shù)據(jù)、地址共用同一總線，具有硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能。
2.2 MAX491設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題
（1）RS-422傳輸線上匹配的一些說明：理論上，在每個(gè)接收數(shù)據(jù)信號(hào)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，只要反射信號(hào)在開始采樣時(shí)衰減到足夠低就可以不考慮匹配。但這在實(shí)際上難以掌握，美國 MAXIM公司有篇文章提到一條經(jīng)驗(yàn)性的原則可以用來判斷在什么樣的數(shù)據(jù)速率和電纜長度時(shí)需要進(jìn)行匹配：當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間（上升或下降時(shí)間）超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的 3倍以上時(shí)就可以不加匹配。
一般終端匹配采用終接電阻方法，RS-422在總線電纜的遠(yuǎn)端并接電阻，終接電阻一般在 RS-422網(wǎng)絡(luò)中取 100Ω，這種匹配方法簡單有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合；
另外一種比較省電的匹配方式是 RC匹配；
還有一種采用二極管的匹配方法。
（2）RS-422的接地問題

RS-422傳輸網(wǎng)絡(luò)的接地是很重要的，因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不合理會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠(yuǎn)的情況下，對于接地的要求更為嚴(yán)格。 RS-422盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個(gè) RS-422網(wǎng)絡(luò)，必須有一條低阻的信號(hào)地。一條低阻的信號(hào)地將兩個(gè)接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓 VGPD被短路。這條信號(hào)地可以是額外的一條線（非屏蔽雙絞線），或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。這是最通常的接地方法。
（3）RS-422的網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)
RS-422標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了接收器門限為± 200mV。這樣規(guī)定能夠提供比較高的噪聲抑制能力，當(dāng)接收器 A電平比B電平高+200mV以上時(shí)，輸出為正邏輯，反之，則輸出為負(fù)邏輯。但由于第三態(tài)的存在，即在主機(jī)在發(fā)端發(fā)完一個(gè)信息數(shù)據(jù)后，將總線置于第三態(tài)，這帶來了一個(gè)問題：接收器輸出狀態(tài)不確定。如果接收機(jī)的輸出為 0V，網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)將把其解釋為一個(gè)新的啟動(dòng)位，并試圖讀取后續(xù)字節(jié)，由于永遠(yuǎn)不會(huì)有停止位，產(chǎn)生一個(gè)幀錯(cuò)誤結(jié)果，不再有設(shè)備請求總線，網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓狀態(tài)。除上述所述的總線空閑會(huì)造成兩線電壓差低于 200mV的情況外，開路或短路時(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種情況。故應(yīng)采取一定的措施避免接收器處于不確定狀態(tài)。
（4）RS-422的瞬態(tài)保護(hù)
由于傳輸線對高頻信號(hào)而言就是相當(dāng)于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實(shí)際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時(shí)間短暫，但可能會(huì)有成百上千伏的電壓。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負(fù)載如電機(jī)、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會(huì)產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護(hù)就會(huì)損壞 RS-422通信接口，對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護(hù)。方法有隔離保護(hù)方法和旁路保護(hù)方法。
2.3 FPGA內(nèi)部編程設(shè)計(jì)
采用MAX491串行接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過 Xc2s100串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并控制存儲(chǔ)到FLASH中，在這個(gè)過程中，最關(guān)鍵的是對 Spartan-II系列Xc2s100內(nèi)部編程，內(nèi)部模塊包括異步串行通信模塊和控制FLASH存儲(chǔ)、讀數(shù)和擦除模塊[2]。
(1)異步串行通信模塊[3]（如圖2） UART 發(fā)送模塊（如圖 2中的 send） 發(fā)送器每隔 16個(gè) CLK16時(shí)鐘周期輸出 1位，次序遵循 1位起始位、 8位數(shù)據(jù)位（假定數(shù)據(jù)位為 8位）、1位校驗(yàn)位（可選）、 1位停止位；
何時(shí)通過 UART發(fā)送數(shù)據(jù)由 CPU控制，也就是說 CPU要接受數(shù)據(jù)必須判斷當(dāng)前是否可寫，如果不判這個(gè)條件，接受的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)。
數(shù)據(jù)的發(fā)送是由微處理器控制，微處理器給出信號(hào)，發(fā)送模塊根據(jù)此信號(hào)將并行

數(shù)據(jù) din[7..0]通過移位寄存器轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)至串行數(shù)據(jù)輸出端 Txd。 UART 接收模塊（如圖2中的receive）
串行數(shù)據(jù)幀和接收時(shí)鐘是異步的，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由邏輯 1’變?yōu)檫壿嫛?0’可以視為一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始。
接收器先要捕捉起始位，確定 rxd輸入由 1到0，邏輯 0需要8個(gè)CLK16時(shí)鐘周期，才是正常的起始位，然后在每隔 16個(gè)CLK16時(shí)鐘周期采樣接收數(shù)據(jù)（也可以為其它數(shù)），將串行數(shù)據(jù) din通過移位寄存器發(fā)送串行數(shù)據(jù)至并行數(shù)據(jù)輸出端 dout[7..0]，放入存儲(chǔ)器件。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中用輸出信號(hào) fifowr作為標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，fifowr信號(hào)為0，通知CPU在下個(gè)時(shí)鐘裝入新數(shù)據(jù)。