基于FPGA的微型數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于fpga的微型數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)航天測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出一種基于的微型數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃。該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用可編程規(guī)律器件fpga對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)舉行單元的二次集成，使測(cè)試系統(tǒng)體積大幅減小，功耗急劇降低，從而提高系統(tǒng)的抗高過載性能，增強(qiáng)系統(tǒng)靈便性、通用性和牢靠性。fpga不僅完成控制存儲(chǔ)及大部分的相關(guān)數(shù)字規(guī)律單元電路，而且使得囫圇存儲(chǔ)系統(tǒng)更為容易，布線也更簡(jiǎn)單。另外，系統(tǒng)fpga編程就是根據(jù)預(yù)定功能件內(nèi)的熔絲，從而使其完成特定規(guī)律功能的過程，一旦完成編程，fpga就相當(dāng)于一片能夠完成特定功能的，因而無(wú)需不安程序運(yùn)行路徑出錯(cuò)，這與有本質(zhì)區(qū)分。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2

2、1 器件選型211 電源轉(zhuǎn)換器tps70358系統(tǒng)中，fpga工作為33 v和25 v，接口器件cy7c68013 工作電壓為33 v，flash工作電壓為33 v，系統(tǒng)需通過電源器件tps70358將電壓轉(zhuǎn)換為33 v和25 v，為系統(tǒng)各器件提供電源。tps70358是新一代的集成穩(wěn)壓器，是一個(gè)自耗很低的微型片上系統(tǒng)，具有極低的自有噪音和較高的電源紋波抑制性能，因此，該器件適用于一塊電路板或一片重要器件(如fpga、)供電的電壓轉(zhuǎn)換。212 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)xc2s50該系統(tǒng)采納xc2s50型fpga控制各個(gè)接口，該器件是xilinx公司生產(chǎn)的sparran ii系列高性能現(xiàn)場(chǎng)可

3、編程門陣列(fpga)，具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)jtag接口，支持33 v在系統(tǒng)可編程(isp)；33 v電源，集成密度為50 000個(gè)可用門；引腳到引腳的延時(shí)75 ns，系統(tǒng)頻率高達(dá)200 mhz。采納單片fpga實(shí)現(xiàn)規(guī)律控制功能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)牢靠性。且xc2s50系統(tǒng)可編程，只需將一根下載電纜銜接到目標(biāo)板上，就可多次重復(fù)編程，便利電路調(diào)試。213 usb 20控制器cy7c68013cy7c68013是公司生產(chǎn)的一款usb 20控制器，該器件具有運(yùn)算速度快、功耗小和性價(jià)比高等特點(diǎn)。時(shí)鐘周期高達(dá)40 mhz，每執(zhí)行1條命令需4個(gè)時(shí)鐘周期；其內(nèi)部集成有usb接口，i2c接口等，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4、實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)10 mhz。22 電路設(shè)計(jì)思路圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，計(jì)算機(jī)通過usb接口控制可編程規(guī)律器件fpga實(shí)現(xiàn)對(duì)flash存儲(chǔ)器的塊擦除、頁(yè)編程、讀數(shù)據(jù)等操作。塊擦除操作時(shí)，計(jì)算機(jī)通過usb接口向fpga發(fā)送命令，fpga接收到命令后對(duì)flash存儲(chǔ)器舉行塊擦除操作，并將狀態(tài)返回計(jì)算機(jī)；頁(yè)編程操作時(shí)， fpga接收計(jì)算機(jī)并行接口發(fā)送的命令，立刻對(duì)flash存儲(chǔ)器舉行頁(yè)編程操作，先寫指令，再寫要編程的地址，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到flash存儲(chǔ)器中；讀取數(shù)據(jù)操作時(shí)，fpga首先接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令，然后對(duì)flash存儲(chǔ)器舉行讀取數(shù)據(jù)操作，先寫指令，再寫要讀取的地址，然后開頭輸出數(shù)據(jù)，并將

5、狀態(tài)返回計(jì)算機(jī)并行接口。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)31 fpga對(duì)flash的讀、寫、擦除操作fpga執(zhí)行對(duì)flash的讀、寫、擦除操作是利用語(yǔ)言的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)機(jī)控制flash的時(shí)序電路容易易行，規(guī)律關(guān)系一目了然。xc2s50接收到cy7c68013傳來的擦除控制指令，立刻執(zhí)行擦除操作。根據(jù)時(shí)序，首先寫入自動(dòng)塊擦除設(shè)置指令60h，之后依次寫入2個(gè)行地址和1個(gè)列地址舉行尋址，而后寫入擦除指令d0h開頭執(zhí)行擦除操作。讀操作較為復(fù)雜，需要xc2s50和cy7c68013協(xié)同工作。這里只給出讀信號(hào)的操作過程。先寫人讀設(shè)置指令00h，由于讀一次執(zhí)行一頁(yè)，所以地址的寫入是2個(gè)行地址和3個(gè)列地址，之后寫入讀指令

6、，在等待rb變高后就可發(fā)送re信號(hào)將數(shù)據(jù)從flash讀出。寫操作過程與讀操作類似，但寫操作徹低由 xc2s50控制，寫完指令、地址后，開頭寫入數(shù)據(jù)，直到寫滿2 kb數(shù)據(jù)，最后輸入頁(yè)編程指令。需要注重每寫完2 kb數(shù)據(jù)，flash返回的狀態(tài)信號(hào)rb所等待的時(shí)光較長(zhǎng)，大約是140s。圖2為頁(yè)編程的流程。32 cy7c68013控制規(guī)律及固件程序設(shè)計(jì)cy7c68013主要完成兩部分工作，一是實(shí)現(xiàn)對(duì)擦除的控制開關(guān)指令，即上位機(jī)通過usb接口發(fā)送擦除指令，cy7c68013接收到這個(gè)指令后，會(huì)發(fā)送一個(gè)約為200 ms低脈沖通知fpga啟動(dòng)擦除操作；二是通過與fpga協(xié)作，完成從flash通過cy7c68

7、013的gpif接口讀入上位機(jī)的任務(wù)。 cy7c68013所用到的io包括控制線usbctr1，狀態(tài)線us-bs0，讀信號(hào)線usbrd及8條數(shù)據(jù)線。讀數(shù)時(shí)，首先由單片機(jī)發(fā)出讀數(shù)開頭指令usbctr1，fpga接收到該指令后開頭初始化，包括寫入讀數(shù)設(shè)置指令、地址及讀數(shù)指令，等待rb變高， usbs0置低，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到usbs0變低后，開頭給出一系列脈沖gpif(usbrd)，將2 kb數(shù)據(jù)依次讀出。與此同時(shí)，fpga在等待幾百納秒后將usbs0置高，單片機(jī)在推斷usbs0變高后也將usbctr1拉高，為下一頁(yè)讀數(shù)做預(yù)備。讀數(shù)時(shí)序3所示。根據(jù)上述控制規(guī)律關(guān)系編寫cy7c68013的同件程序。cy

8、7c68013有3種可用接口模式：端口、gpif主控和從fi-fo。“gpif主控”接口模式用法portb和portd構(gòu)成通向4個(gè)fx2端點(diǎn)fifo(ep2、ep4、ep6和ep8)的16位數(shù)據(jù)接口。gpif作為內(nèi)部的主控制器與 fifo挺直相連具有6個(gè)可編程控制輸出信號(hào)(ctr0ctr5)和6個(gè)通用預(yù)備就緒輸入信號(hào)(rdy0"rdy5)，用戶可通過編程設(shè)置控制信號(hào)的輸出狀態(tài)，即器件在接收到何種就緒信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)操作，gpif控制代碼存放于器件內(nèi)部ram的波形描述器中。從該系統(tǒng)需求動(dòng)身，將cy7c68013設(shè)為fifo read模式，使gpif中的slave fifo與usb通信中端

9、點(diǎn)緩沖挺直建立銜接，數(shù)據(jù)傳送無(wú)需cpu參加。固件程序代碼設(shè)計(jì)主要是按照系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序框架圖，再調(diào)用同件函數(shù)庫(kù) (ezusblib)的函數(shù)舉行編程，初始化并重新列舉端點(diǎn)，然后在任務(wù)處理器中設(shè)定任務(wù)，在 c51環(huán)境中編譯代碼。編譯通過后，將同件代碼下載到usb單片機(jī)中，即可實(shí)現(xiàn)gpif多字節(jié)讀操作。4 系統(tǒng)牢靠性驗(yàn)證為驗(yàn)證系統(tǒng)牢靠性，在數(shù)據(jù)輸入端循環(huán)輸入00"0f遞增數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)讀出、寫入flash中的數(shù)據(jù)，圖4為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過讀出的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回讀的正確性、牢靠性。5 結(jié)束語(yǔ)采納fpga對(duì)flash舉行讀、寫、擦除操作，利用狀態(tài)機(jī)分時(shí)控制3種操作，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，容易修改地址將flash的容量從32