在Altera CycIone II系列FPGA中用VHDL實現(xiàn)E2PROM控制器的設計

1、E2PROM介紹及其應用現(xiàn)狀

E2PROM（Electically Erasable Programmable Read-Only Memory），即電可擦除只讀存儲器。它是一種非易欠性存儲器，掉電后數(shù)據(jù)依然存在（一般可保存長達100年），讀寫耗電極低，擦寫時只需相應的電信號即可，控制方式簡單，體積小巧。價格便宜，被廣泛應用于對數(shù)據(jù)存儲安全性及可靠性要求較高的場合，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100萬次，即某一位由1寫為0或由0寫為1的次數(shù)為100萬次。一般的系統(tǒng)往往只對若干同定單元進行頻繁的讀寫，很容易造成這些單元的損壞。而常用的E2PROM存儲系統(tǒng)，只要某一個存儲單元損壞，即使其他絕大部分單元都是完好的，也只能將整個E2PROM芯片報廢。這既是對資源的浪費，也是系統(tǒng)正常運行的潛在風險。

為了延長E2PROM芯片的壽命，提高存儲系統(tǒng)的可靠性，本文提出一種較可靠的E2PROM控制器設計方法，并在FPGA中用VHDL進行了實現(xiàn)。

2、本文E2PROM控制器的工作原理

在很多領域的存儲系統(tǒng)中，可靠性對系統(tǒng)安全至關重要。為了避免系統(tǒng)出錯，并延長系統(tǒng)的壽命，本文在適當犧牲存儲效率的前提下，著重考慮提高存儲系統(tǒng)的可靠性。

E2PROM存儲器存儲單元的損壞主要是由頻繁的寫操作造成的。若要解決問題，首先耍避免對同一單元進行頻繁的擦寫，降低存儲單元損壞的可能；其次當某些單元損壞時，讀寫控制器應該能夠跳過這些損壞的單元，保證系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。本文設計的E2PROM控制器具有這兩個方面的功能。

本文的設計思想是，將整個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。

在Altera CycIone II系列FPGA中用VHDL實現(xiàn)E2PROM控制器的設計

圖1 E2PROM地址空間劃分

在地址分配表區(qū)中只存儲所有數(shù)據(jù)區(qū)或備用區(qū)存儲單元的地址，初始時與數(shù)據(jù)區(qū)的每個存儲單元一一對應；當某個數(shù)據(jù)所在的單元損壞時（由于頻繁讀寫的是數(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（通過改寫對應的數(shù)據(jù)分配表單元存儲的地址，使其指向改用的備用區(qū)某單元來實現(xiàn)），以后每次讀寫都指向新的存儲單元，這樣就跳過了損壞的單元；若要避免對相同單元頻繁擦寫，則每過一段合適的時間對整個數(shù)據(jù)分配表進行更新，或?qū)φ麄€E2PROM空間重新劃分；判斷某存儲單元是否損壞的方法是，對該單元進行寫操作之后立刻回讀，若讀寫內(nèi)容一致則該單元正常，否則已損壞；備用區(qū)的首地址存儲該區(qū)域未使用部分的開始地址，以方便數(shù)據(jù)單元損壞時使用該單元，每當有數(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，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系統(tǒng)的正常運行有致命的影響。而備用區(qū)首地址單元的寫頻率是最高的，保存數(shù)據(jù)的單元每出現(xiàn)一個損壞單元就要對其改寫一次。因此，理論上當有100萬個單元（1MB）因?qū)懖僮鲹p壞時，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100萬個損壞單元，芯片早已應該報廢。所以，理論上該方法已足夠可靠。

3、系統(tǒng)總體設計

本文E2PROM存儲芯片選用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、數(shù)據(jù)及時鐘等信號，并對E2PROM進行控制。E2PROM根據(jù)FPGA的控制信號進行相應的讀寫操作。

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。地址空間劃分說明如圖2所示。

本文的E2PROM控制器在FPGA中用VHDL語言進行設計。用有限狀態(tài)機技術(shù)實現(xiàn)。

圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4、AT24C01 E2PROM讀寫控制原理

4．1 I2C總線工作原理

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

（1）開始信號，當SCL為高電平時SDA由高電平向低電平跳變，表明傳送數(shù)據(jù)開始；

（2）結(jié)束信號，當SCL為高電平時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。即SDA線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，當SCL為高電平時有效，不允許改變，當SCL為低電平無效。允許改變；

（4）應答信號，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)讀寫工作原理

兩線E2PROM的寫操作方式分為字節(jié)寫和按頁寫。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方式——字節(jié)寫和字節(jié)讀方式為例說明設計過程，其它讀寫方式的設計過程與此相似。

（1）E2PROM的字節(jié)寫操作。在控制器對E2PROM發(fā)送啟動信號之后，緊接著發(fā)送一個8位的寫控制字?？刂谱值慕M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位讀寫狀態(tài)位（讀操作為‘1’，寫操作為‘0’）。 E2PROM正確接收到寫控制字后，發(fā)送l位低電平的應答信號?？刂破骶o接著發(fā)送E2PROM存儲單元地址和要寫入的數(shù)據(jù)。E2PROM每次止確地接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)都要發(fā)送一個應答信號返回給控制器。隨后控制器發(fā)送停止信號，對E2PROM寫一個字節(jié)的操作完成。

（2）E2PROM的字節(jié)讀操作。E2PROM的讀操作包括寫地址和讀數(shù)據(jù)兩個階段。控制器首先發(fā)送一個啟動信號和8位的寫控制字節(jié)（讀些狀態(tài)位R/W=‘0’），E2PROM正確接收到控制字后發(fā)送1位低電平的應答信號，之后控制器發(fā)送8位的E2PROM地址。通過寫操作設置E2PROM存儲單元地址。接著控制器再發(fā)送一個啟動信號和讀控制字節(jié)（此時R/W=‘1’），啟動讀操作，E2PROM收到信息后發(fā)送1位的低電平應答信號，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)后返回一個低電平的應答信號給E2PROM，隨后發(fā)送停止信號，字節(jié)讀操作結(jié)束。

5、可靠性E2PROM控制器設計

本文用VHDL語言，以有限狀態(tài)機的方式在實現(xiàn)FPGA對E2PROM的控制。對于一般的讀寫過程，只需要7個基本狀態(tài)便可實現(xiàn)，即：空閑，開始。寫控制字，寫地址，寫數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)，停止。

但由于本文的讀寫過程較為復雜，雖然基本的狀態(tài)仍為這7個，但如果僅用這7種狀態(tài)，會使得程序流程異常繁雜?？紤]到每次讀寫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)地址讀寫數(shù)據(jù)，這兩個階段雖然過程相近，但狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件不同，將它們分離開來能使狀態(tài)轉(zhuǎn)換和程序流程更清晰。所以本系統(tǒng)對這兩個階段的狀態(tài)分開實現(xiàn)，用14個狀態(tài)實現(xiàn)整個讀寫過程，即：S0空閑，S1開始，S2控制字（寫操作）。s3寫地址，s4開始，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)讀寫過程），S8開始，S9寫控制字，S10寫地址，Sll寫數(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程．S8到S13為進行數(shù)據(jù)讀寫的過程。整個過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

本文設計的E2PROM采用的方法需要首先對E2PROM芯片進行格式化，即對整個E2PROM存儲空間進行劃分，建立地址分配表。這個過程為基本寫操作的循環(huán)，可以嵌入系統(tǒng)讀寫過程中。

因此，整個系統(tǒng)共有3個主要進程：時鐘產(chǎn)生進程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換進程和狀態(tài)控制進程。

1、時鐘產(chǎn)生進程，負責產(chǎn)生滿足系統(tǒng)所需的各種時鐘，主要是E2PROM的SCL，并且為了方便方便按照時鐘要求讀寫數(shù)據(jù)，將SCL周期內(nèi)劃分為4個子周期。工作在1．8V、2．5V和2．7v時，E2PROM的工作頻率為100KHz。本文采用100M的外

部晶振產(chǎn)生外部時鐘clk，則需進行1000分頻來產(chǎn)生E2PROM所需的SCL時鐘信號。該進程如下：

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)換進程，負責在適當?shù)臅r機將狀態(tài)機轉(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)控制進程，負責在格式化及讀寫過程中各種信號的設置，這是整個系統(tǒng)最復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代碼實現(xiàn)。但其過程相當繁瑣，在這里只能將這個進程代碼的主要部分展示出來，然后對各狀態(tài)的具體操作進行適當?shù)恼f明。

本進程的主要代碼如下：

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

對各狀態(tài)的說明如下：

S0：空閑狀態(tài)，檢測rwf信號輸入。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睿ǚ謩e為“0l”和“10”）則轉(zhuǎn)入S1。

S1：產(chǎn)生開始信號。完成后轉(zhuǎn)入入S2。

S2：向SDA線輸出寫操作控制字。完成后轉(zhuǎn)入S3。

S3：寫地址（由外部輸入）。即所需操作的數(shù)據(jù)單元對應在地址分配表中的地址。完成后轉(zhuǎn)入S4。

S4：產(chǎn)生開始信號。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。完成后轉(zhuǎn)入S8。至此查表過程結(jié)束，此后為實際讀寫過程。

s8：產(chǎn)生開始信號。完成后轉(zhuǎn)入S9。

S9：輸出控制字。如果在讀操作過程中且為第二次進入該狀態(tài)，則向SDA線輸出讀操作控制字，完成后轉(zhuǎn)入S12；否則輸出寫操作控制字，完成后轉(zhuǎn)入S1O。

S1O：寫地址（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：寫數(shù)據(jù)，向SDA線寫外部提供的數(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。如果處于讀操作結(jié)束狀態(tài)，則轉(zhuǎn)入SO；如果處于寫操作結(jié)束狀態(tài)并且沒有對數(shù)據(jù)回讀以檢查所寫單元是否正常。則轉(zhuǎn)入S6進行回讀；如果處于寫操作回讀結(jié)束狀態(tài)，無誤則轉(zhuǎn)入S0，有誤則轉(zhuǎn)入S1讀備用區(qū)首地址；如果是對備用區(qū)寫操作回讀有誤，則地址加l后進入S6寫下一地址，直至能正確寫入，之后將地址加1寫入備用區(qū)首地址．然后轉(zhuǎn)入S0；如果處于格式化過程中，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