0 引言

    隨著智能化的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的興起，微控制器(Micro Control Unit，MCU)主控芯片得到了越來越多的應(yīng)用。當(dāng)前MCU主控芯片一般都用NOR Flash作為片上系統(tǒng)存儲器，進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)存取，根據(jù)應(yīng)用，用戶可以對片上Flash的指定區(qū)域進(jìn)行擦寫。在工業(yè)電力控制的應(yīng)用中，在線升級(In Application Programming，IAP)是一種常用的操作，意思是“在應(yīng)用編程”，即在程序運行時，程序存儲器可由程序自身進(jìn)行擦寫。具體來說，就是將片上Flash存儲器分為bootloader(IAP)程序和USER APP程序兩部分，當(dāng)需要在線升級時，bootloader中的IAP程序通過外部通信接口接收數(shù)據(jù)，然后擦除和寫入USER APP部分，同時寫入更新標(biāo)志，然后系統(tǒng)重新啟動執(zhí)行USER APP程序，達(dá)到在線升級的目的。

    通常有些主控芯片會要求IAP程序調(diào)用的Flash擦寫程序要在SRAM中執(zhí)行，IAP程序到USER APP程序跳轉(zhuǎn)需要進(jìn)行中斷向量表重映射。擦寫Flash USER APP程序區(qū)域過程中，要求CPU不能對Flash發(fā)起讀操作，如果發(fā)生，則不能正確返回讀取結(jié)果。

    本文給出了一種支持IAP流程的兩片F(xiàn)lash拼接的Flash控制器方案，IAP程序直接在Flash執(zhí)行，IAP程序到USER APP程序跳轉(zhuǎn)提供一種快速方法，通過硬件直接完成地址映射。IAP程序執(zhí)行過程中，CPU可以對Flash發(fā)起讀指令操作，擦寫結(jié)束能正確返回讀結(jié)果。

1 NOR Flash器件

    本文采用的NOR Flash IP基于UMC55 nm工藝，型號是UM055EFLLP128KX032CBA，讀寫位寬32 bit，地址線17 bit。main區(qū)總?cè)萘? Mb(1 K×128×32 bit)，1 K個扇區(qū)；NVR區(qū)總?cè)萘?6 Kb(4×128×32 bit)，4個扇區(qū)。每個扇區(qū)容量為128×32 bit=4 Kb，每個扇區(qū)包含2個頁，每個頁包含64個word(1個word為32 bit)。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    Flash接口信號如表1所示。

    NOR Flash器件的操作分為讀、寫、扇區(qū)擦除、片擦除操作。時序圖如圖2～圖5所示。

    Flash讀時序，發(fā)起AE脈沖鎖定地址，tAA時間之后讀出數(shù)據(jù)有效。

    Flash寫時序，先拉高PROG信號，然后AE脈沖鎖定地址，產(chǎn)生PROG2脈沖寫入對應(yīng)數(shù)據(jù)。PROG拉高持續(xù)時間是tHV，也就是說寫入時間是用戶自己控制的。根據(jù)tHV的時間不同，可寫入的word個數(shù)也不同。本文只討論單個word的寫入。

    Flash扇區(qū)擦除時序，扇區(qū)擦除起始要用AE鎖定扇區(qū)地址，拉起ERASE信號，執(zhí)行擦除時序。ERASE時間由tERASE時間參數(shù)控制。

    Flash片擦除時序，擦除起始要用AE鎖定任意地址，片擦除除了拉高ERASE信號，還要拉起CHIP信號。ERASE時間由tSCE時間參數(shù)控制。

2 控制器方案

2.1 結(jié)構(gòu)框圖

    Flash控制器模塊在SoC系統(tǒng)中位于AHB matrix總線矩陣和Flash器件之間，CPU為ARM Cortex M4，總線為哈佛結(jié)構(gòu)。CPU可以通過IBUS和DBUS對Flash器件進(jìn)行訪問。Flash控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    Flash控制器實現(xiàn)了CPU對Flash器件的讀、寫和擦除。支持CPU在Flash中執(zhí)行程序的同時可以對Flash其他區(qū)域進(jìn)行擦寫。Flash支持在大于1 MHz的多種頻率下能對Flash器件進(jìn)行擦寫。

    Flash控制器包含地址映射控制模塊、SFR模塊、狀態(tài)機(jī)控制模塊、時序轉(zhuǎn)化模塊。地址映射控制模塊用于在線升級時對AHB訪問地址進(jìn)行映射；SFR模塊用于Flash控制器的模式控制選擇，配置和狀態(tài)寄存器寄存等；狀態(tài)機(jī)控制模塊用于Flash控制器對各種模式的工作狀態(tài)控制；時序轉(zhuǎn)換模塊用于根據(jù)狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)來產(chǎn)生對應(yīng)的Flash器件的時序。

2.2 狀態(tài)機(jī)設(shè)計

    Flash控制器的狀態(tài)機(jī)如圖7所示，包含9個狀態(tài)，INIT狀態(tài)完成Flash上電啟動，init_done之后進(jìn)入READ狀態(tài)。READ狀態(tài)下支持AHB總線讀操作。

    如果要執(zhí)行擦寫，第一步則在READ狀態(tài)下配置SFR模塊的模式寄存器(PROG或者SEC_ERASE或者CHIP_ERASE)，然后狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至WAIT_WR狀態(tài)(注：在WAIT_WR狀態(tài)也支持AHB總線讀操作)。

    第二步當(dāng)AHB總線有寫操作，則狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至對應(yīng)的PROG或SEC_ERASE或CHIP_ERASE狀態(tài)，開始對應(yīng)的擦寫時序轉(zhuǎn)化。時序轉(zhuǎn)化結(jié)束后，PROG跳轉(zhuǎn)到TRCV_P，SEC_ERASE和CHIP_ERASE跳轉(zhuǎn)到TRCV_E。之后跳轉(zhuǎn)到TRW狀態(tài)，結(jié)束后返回READ狀態(tài)。

3 控制器實現(xiàn)分析

3.1 AHB總線數(shù)據(jù)相位擴(kuò)展原理

    AMBA AHB總線的寫數(shù)據(jù)總線用來將數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)上，而讀數(shù)據(jù)總線用來將數(shù)據(jù)從從機(jī)傳輸?shù)街鳈C(jī)上。

    AHB總線基本傳輸包含兩個截然不同的部分：地址相位，只持續(xù)單個周期；數(shù)據(jù)相位，可能需要多個周期，這通過使用hready信號實現(xiàn)。

    地址不長期有效，所以所有從機(jī)必須在這個時段（傳輸?shù)刂窌r）采樣地址。然而，通過hready信號可以延長數(shù)據(jù)。當(dāng)該信號為低時導(dǎo)致在傳輸中插入等待狀態(tài)同時允許從機(jī)有額外的時間提供或者采樣數(shù)據(jù)。

    圖8表示最簡單的傳輸，沒有等待狀態(tài)。在這個沒有等待狀態(tài)的簡單傳輸中，主機(jī)在HCLK的上升沿之后將地址和控制信號驅(qū)動到總線上；然后在時鐘的下一個上升沿從機(jī)采樣地址和控制信息；在從機(jī)采樣了地址和控制信號后能夠開始驅(qū)動適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)并且該響應(yīng)被總線主機(jī)在第三個時鐘的上升沿采樣。

    圖9為具有等待狀態(tài)的傳輸。從機(jī)插入等待周期（HREADY拉低）到任意傳輸中，這樣擴(kuò)展了傳輸完成允許的附加時間。對寫操作而言，總線主機(jī)必須保持?jǐn)?shù)據(jù)在整個擴(kuò)展周期中穩(wěn)定。

    Flash控制器設(shè)計的擦寫模式狀態(tài)跳轉(zhuǎn)利用了數(shù)據(jù)相位擴(kuò)展階段數(shù)據(jù)保持的原理。

3.2 SFR區(qū)的位置

    如圖10所示，F(xiàn)lash擦寫模式寄存器SFR區(qū)放在ARM cortex M4的Code區(qū)，Code區(qū)指0.5 GB以下，即小于0x2000_0000地址的空間，Code區(qū)只能IBus/DBus總線通過AHB接口進(jìn)行訪問。不放在Peripheral區(qū)APB總線訪問，是為了避免IBus/DBus和SBus操作Flash的沖突。

    以Flash寫操作為例，如果模式寄存器放在Peripheral區(qū)APB總線訪問，則CPU SBus配置完P(guān)ROG模式寄存器(訪問Peripheral區(qū))，準(zhǔn)備開始PROG時序轉(zhuǎn)換時，CPU IBus/DBus可能還在讀取Flash操作中(訪問Code區(qū))，這樣控制器狀態(tài)機(jī)需要等待判斷讀結(jié)束才能跳轉(zhuǎn)，控制不好可能Flash的PROG寫操作和讀操作會沖突。

    如果模式寄存器放在Code區(qū)，則會避免這種情況。配置寫模式寄存器的總線是CPU DBus(訪問Code區(qū))，配置同時必然不會有讀Flash(IBus/DBus訪問Code區(qū))的操作，因此下一刻即可以開始進(jìn)行狀態(tài)機(jī)從READ到WAIT_WR或WAIT_WR到PROG的跳轉(zhuǎn)，WAIT_WR跳轉(zhuǎn)到PROG后會開始Flash PROG時序轉(zhuǎn)化。

3.3 Flash讀操作

    Flash讀操作，控制器可以直接將AHB總線讀操作進(jìn)行Flash讀時序轉(zhuǎn)換。Flash控制器的READ狀態(tài)和WAIT_WR狀態(tài)都支持AHB總線讀操作。

    READ狀態(tài)的讀操作時序圖如圖11所示。

    WAIT_WR狀態(tài)的讀操作時序圖如圖12所示。

3.4 Flash寫操作

    控制器在PROG狀態(tài)可以完成Flash寫操作的時序轉(zhuǎn)化，采用hready拉總線方式。

    進(jìn)入PROG狀態(tài)需要CPU執(zhí)行兩步總線寫操作，第一步，總線配置寫模式，第二步，總線寫操作給出寫地址，寫數(shù)據(jù)的采樣利用的就是AHB總線寫操作的數(shù)據(jù)在擴(kuò)展周期穩(wěn)定的原理。

    詳細(xì)的Flash寫操作的步驟是：

    (1)配置寫模式，READ狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到WAIT_WR狀態(tài)；

    (2)在WAIT_WR狀態(tài)，向目的地址發(fā)起AHB總線寫，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到PROG狀態(tài)，同時鎖定總線的寫地址，然后利用hready拉低時數(shù)據(jù)保持的原理，鎖定總線的寫數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行PROG時序轉(zhuǎn)化；

    (3)在PROG狀態(tài)，PROG信號拉高，PROG2產(chǎn)生寫脈沖，完成word的寫入。之后hready信號被釋放拉高，狀態(tài)機(jī)跳到TRCV_P，之后TRW，返回READ態(tài)。

    注：如果在PROG狀態(tài)有AHB總線讀操作，hready會被拉低，讀控制信號和讀地址被鎖存，持續(xù)到編程時間結(jié)束，直到返回READ態(tài)，正確返回讀結(jié)果。

    舉例：以圖13、圖14為例說明Flash寫操作時序。比如向0x00_8004地址(CPU地址0x0002_0010)寫入0x1234_5678數(shù)據(jù)。write_sfr_valid信號(配置PROG模式脈沖)觸發(fā)READ狀態(tài)跳到WAIT_WR狀態(tài)，然后write_valid信號(AHB總線寫0x0002_0010地址，數(shù)據(jù)為0x1234_5678)觸發(fā)WAIT_WR狀態(tài)跳到PROG，開始時序轉(zhuǎn)化。

    READ->WAIT_WR->PROG寫操作時序圖如圖13所示。

    完整的寫操作PROG時序示意圖如圖14所示。

3.5 Flash擦除操作

    Flash在SEC_ERASE和CHIP_ERASE狀態(tài)可以完成擦除操作的時序轉(zhuǎn)化。

    進(jìn)入擦除操作需要CPU執(zhí)行兩步總線寫操作，第一步，配置擦除模式，第二步，總線寫操作給出擦除地址，對于扇區(qū)擦除，總線寫操作地址即是擦除地址，片擦除可以是任意地址。

    以扇區(qū)擦除為例，詳細(xì)的步驟是：

    (1)配置扇區(qū)擦除模式，READ狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到WAIT_WR狀態(tài)；

    (2)在WAIT_WR狀態(tài)，向目的扇區(qū)地址發(fā)起AHB總線寫，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到SEC_ERASE狀態(tài)，同時鎖定總線的寫地址，提取待擦除的扇區(qū)地址，然后hready信號拉低，進(jìn)行扇區(qū)擦除時序轉(zhuǎn)化；

    (3)在SEC_ERASE狀態(tài)，ERASE信號拉高，WEB信號拉低，ERASE信號持續(xù)時間達(dá)到配置Thv的值時，狀態(tài)機(jī)跳到TRCV_E，之后TRW，返回READ態(tài)。

    舉例：以圖15為例說明Flash扇區(qū)擦除時序。比如擦除0x00_8004扇區(qū)(CPU地址為0x0002_0010)。write_sfr_valid信號(配置SEC_ERASE模式脈沖)觸發(fā)READ狀態(tài)跳到WAIT_WR狀態(tài)，然后write_valid 信號(AHB總線寫0x0002_0010地址)觸發(fā)WAIT_WR狀態(tài)跳到SEC_ERASE，開始時序轉(zhuǎn)化。

3.6 Flash自編程操作

    Flash自編程操作即是Flash寫程序在Flash內(nèi)部執(zhí)行，同時對Flash其他區(qū)域進(jìn)行扇區(qū)擦除和寫操作的過程。

    CPU每執(zhí)行一條指令的操作一般分為取指令、分析指令、執(zhí)行指令。轉(zhuǎn)化為對Flash的操作就是讀或?qū)?。利用寫Flash操作之后hready拉低，鎖定總線，進(jìn)行Flash讀寫時序轉(zhuǎn)化。

    扇區(qū)擦除操作的分解步驟如下：

    (1)(READ狀態(tài))讀Flash操作取指令；

    (2)發(fā)起總線寫操作，配置扇區(qū)擦除模式寄存器（從READ跳轉(zhuǎn)到WAIT_WR）；

    (3)(WAIT_WR狀態(tài))讀Flash操作取指令；

    (4)發(fā)起總線寫操作(從WAIT_WR跳轉(zhuǎn)到PROG)；

    (5)hready拉低，鎖定總線，同時從總線寫地址高bit提取Flash扇區(qū)地址（當(dāng)前總線寫數(shù)據(jù)不必關(guān)心），然后發(fā)起扇區(qū)擦除時序轉(zhuǎn)化；

    (6)(從PROG跳轉(zhuǎn)到TRCV_E，然后TRW，返回READ)hready拉高，釋放總線，返回步驟(1)。

    寫操作的分解步驟如下：

    (1)(READ狀態(tài))讀Flash操作取指令；

    (2)發(fā)起總線寫操作，配置寫模式寄存器(從READ跳轉(zhuǎn)到WAIT_WR)；

    (3)(WAIT_WR狀態(tài))讀Flash操作取指令；

    (4)發(fā)起總線寫操作(從WAIT_WR跳轉(zhuǎn)到PROG)；

    (5)hready拉低，鎖定總線，同時鎖定總線當(dāng)前地址作為寫地址，利用hready拉低AHB總線數(shù)據(jù)擴(kuò)展周期期間寫數(shù)據(jù)不變原理鎖定當(dāng)前寫數(shù)據(jù)，發(fā)起word寫時序轉(zhuǎn)化；

    (6)(從PROG跳轉(zhuǎn)到TRCV_P，然后TRW，返回READ)hready拉高，釋放總線，返回步驟(1)。

3.7 IAP硬件地址映射

    Flash控制器支持兩片F(xiàn)lash器件工作，F(xiàn)lash器件為UM055EFLLP128KX032CBA型號，深度方向拼接，統(tǒng)一編址，main區(qū)(CPU地址)范圍從0x00_0000H～0x0F_FFFFH，NVR區(qū)(CPU地址)從0x10_0000～0x10_0FFFH。

    正常情況下Flash Bank0位于低地址區(qū)域，F(xiàn)lashBank1位于高地址區(qū)域。正常啟動時CPU從Bank0低地址區(qū)域開始執(zhí)行程序，如圖16所示。

    在IAP流程中，如果判斷待升級程序容量小于一個Bank容量，則可以使用這種快速在線升級方法，Boot-loader IAP程序放在Flash Bank0，將用戶程序USER APP程序?qū)懭隖lash Bank1中，然后寫入更新標(biāo)志位(標(biāo)志位放在Flash NVR區(qū))。發(fā)起系統(tǒng)軟復(fù)位，硬件將地址重映射，系統(tǒng)從Bank1高地址區(qū)域開始執(zhí)行程序，如圖17所示。

    該設(shè)計不需要做中斷向量重映射，減少了軟件的復(fù)雜度，方便用戶使用。

3.8 時序參數(shù)隨頻率變化

    Flash器件要在系統(tǒng)中正常工作，讀寫擦除的時序參數(shù)要滿足器件要求。而Flash控制器根據(jù)系統(tǒng)的要求，必須能在多種頻率下進(jìn)行正常讀寫和擦除，這些時序參數(shù)值是內(nèi)部若干個counter計數(shù)器根據(jù)頻率產(chǎn)生的。如果在每個特定頻率下，用軟件進(jìn)行一一重新配置所有的時序參數(shù)是比較繁瑣的。

    本控制器將時序參數(shù)分為了兩類考慮，做了如下設(shè)計：

    (1)讀時序參數(shù)

    Flash讀操作的各時序參數(shù)設(shè)計上已經(jīng)給出默認(rèn)值，能保證系統(tǒng)啟動正常工作。需要考慮的主要參數(shù)是tAA，表示AE有效到dout數(shù)據(jù)有效的選通時間，F(xiàn)lash器件要求必須大于35 ns。本控制器設(shè)計了讀延遲參數(shù)值read_latency_cnt，根據(jù)不同頻率可以配置不同值以滿足要求并得到最快訪問速度。比如在Flash控制器工作時鐘為100 MHz時，周期為10 ns，為滿足大于35 ns的時間，read_latency_cnt最小值需要配置為4。讀時序參數(shù)如表2所示。

    (2)擦寫時序參數(shù)

    擦寫時序各時序參數(shù)值設(shè)計上已經(jīng)給出默認(rèn)值，能保證系統(tǒng)啟動正常工作。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率變化時，擦寫的各時序參數(shù)值也要滿足器件要求。

    本控制器設(shè)計了工作頻率寄存器T1US_REF，含義是1 μs需要多少個時鐘周期，如果為60 MHz，則配置該寄存器為60，如果為100 MHz，則配置該寄存器為100。內(nèi)部的微秒級的各時序參數(shù)會自動以該寄存器為基準(zhǔn)同步變化，這樣就減少了軟件根據(jù)不同頻率頻繁修改多個時序參數(shù)寄存器的復(fù)雜度。擦寫時序參數(shù)如表3所示。

4 結(jié)論

    本文給出了基于ARM cortex m4 SoC架構(gòu)下兩片UMC55 nm Flash macro IP拼接工作的NOR Flash控制器的設(shè)計，介紹了NOR Flash的讀、寫、擦各種時序的設(shè)計流程。

    本控制器的特點如下：

    (1)利用AMBA AHB hready信號為低時數(shù)據(jù)相位擴(kuò)展的原理，支持Flash在線編程，執(zhí)行過程中支持Flash讀操作。

    (2)在IAP程序跳轉(zhuǎn)USER APP程序時不需要中斷向量表重定向，直接硬件地址映射實現(xiàn)。

    (3)通過設(shè)定1 μs工作頻率配置寄存器，硬件自動計算滿足不同頻率下的正常擦寫時序參數(shù)，減少了軟件逐個配置多個時序參數(shù)的復(fù)雜度。

    含有該Flash控制器的MCU主控芯片已經(jīng)通過仿真和FPGA驗證，且在UMC55 nm工藝上流片成功，芯片樣品經(jīng)過測試，F(xiàn)lash控制器功能良好，方便使用。

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作者信息:

徐立國1，2，李德建1，2，于寶東1，2，楊立新1，2，王小曼1，2

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設(shè)計分析實驗室，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京100192)