嵌入式系统中EEPROM接口及控制电路设计_姚亚峰

嵌入式系统中EEPROM接口及控制电路设计

姚亚峰,陈建文,黄载禄

(华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074)

摘要:嵌入式串行EEPROM存储器已成为当今许多片上系统解决方案的一个重要组成部分。本研究以以太网接口卡芯片中E EPROM的嵌入式应用开发为例,介绍和提供了一种嵌入式系统中串行EEPROM的接口和控制电路的设计方法。本方法对其他领域EEPROM的嵌入式应用也具有重要的参考意义。

关键词:串行电可擦除只读存储器;嵌入式系统;串行外设接口;芯片内总线接口

中图分类号:TN802文献标识码:A文章编号:1003-353X(2007)04-328-04

Design of Interface and Control Circuit of EEPROM in Embedded System

YAO Ya-feng,CHEN Jian-wen,HUANG Za-i lu

(Dept.of Electronic&In forma tion,H UST,Wuhan430074,China)

Abstract:The application of series E EPROM has become an important component of SOC in the e mbedded syste ms.Taking the application of embedded EEPROM designed in the ethernet network interface card as an e xample,a typical design method for the application of interface and control circuit of series EEPROM in embedded system was introduced.The main technical characteristics of the method can be helpful to the EE PROM embedded application in other fields.

Key words:series EEPROM;embedded system;SPI;I2C

1引言

EEPROM是电可擦除可编程只读存储器。它具有占用引脚少、容量扩展配置灵活以及读写操作相对简单的特点,因而在可靠数据存储领域得到了广泛应用[1]。从与人们日常生活密切相关的身份卡、金融卡、医疗保险卡、交通卡等,到用于通讯的手机SI M卡、电话卡,用于仓储、货物运输的电子标签以及其他如PDA、数字相机等消费类电子产品都使用到了EEPROM。

在EEPROM早期应用中比较常见的是其分立式元器件,如24系列、93序列等串行E EPROM元件。但随着集成电路工艺和设计技术的发展,基于可复用IP核的SOC设计已经得到业内的广泛接受和推崇,已经有许多典型的可复用的IP核被开发出来,如MC U I P核、DSP IP核等。串行EEPROM 也早已作为I P核集成到SOC芯片之中,嵌入式串行EEPROM存储器已成为当今许多片上系统解决方案的一个重要组成部分[2]。它不但提供了这些芯片在线编程或进行现场软件升级的能力,还实现了对重要数据的长期存储,并在断电时保留这些数据。其典型应用包括音视频编解码芯片和汽车电子控制系统芯片等。

在嵌入式应用中,串行EEPROM作为一个IP 核包含在系统中,因而不必深入考虑其IP核的内在设计和实现形式,更重要的是考虑其接口和控制电路的设计,让EEPROM IP核在嵌入式系统中能够完成成像分立式元器件一样的各种功能。本文以以太网接口卡芯片中EE PROM的开发与应用为例,先简单介绍了串行EEPROM的接口特征,然后详细介绍了一种嵌入式系统中串行EEPROM的接口和控制电路的设计方法。本文提供的设计方法及其思路对其他领域的EEPROM嵌入式应用也具有重要的参考意义。

2串行EEPR OM读写过程

在嵌入式应用中,串行EEPROM是作为单独的IP核以及外加接口及控制电路等组成,其IP核的读写过程与分立式的EEPROM元器件相类似。同样地,串行E EPROM与芯片内其他模块的接口主要有I2C和SPI两种总线方式。

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线[3]。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号:开始信号、结束信号和应答信号。开始信号是指SC L为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,表示开始传送数据。结束信号是指SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,表示结束传送数据。应答信号是指接收数据的单元在接收到8bit或16bit数据后,向发送数据的单元发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。若未收到应答信号,则判断受控单元出现故障。在开始信号之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EE PROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。在I2C 总线的应用中应严格按照相应时序图的要求进行发送或接收数据的读写操作。

本文设计的以太网接口卡芯片中采用的是类似AT93C46的串行E EPROM IP核,其接口采用SPI总线标准。SPI总线是一种四线同步串行总线。四根线分别由片选线(CS)、串行移位时钟线(SK)、串行移位数据输入线(DI)及串行移位数据输出线(DO)组成。EEPROM I P核内部结构由存储器阵列、地址译码、数据寄存器、操作码译码逻辑、时钟发生器输出缓冲器等组成。其内部存储器阵列为64@16位,输入数据由数据寄存器串行移位输入,输出数据由输出缓冲器移位输出。由于EEPROM 采用串行接口,所以它的指令、地址以及写入数据等都在数据输入端DI输入,读出数据以及芯片状态在数据输出端输出。所有的数据输入和输出都与串行时钟SK同步,并在SK的上升沿起作用。该串行EEPROM支持7种操作码指令,每个指令均由起始位、操作码、地址位、数据位等部分按顺序组成。片选信号CS高电平有效,低电平表示进入等待模式。在串行时钟信号SK的上升沿、操作码、地址和数据位等进入器件或从器件输出。串行数据输入时,在SK的同步下,DI线顺序输入开始位、操作码、地址位、数据位等信息。串行数据输出时,在SK的同步下,DO线处于读周期时输出数据;在擦/写周期时提供忙/闲信息。

读操作指令READ具体时序如图1所示。起始位均为/10,读操作码为/100。在接收到一个读指令和地址(从DI引脚在时钟驱动下输入)之前, DO引脚是高阻态的。接收到读指令和地址后,DO 引脚先输出一个虚拟的低电平0,然后数据根据时钟信号移位输出(高位在前)。数据在时钟信号SK 的上升沿时输出并经过一定的时间后稳定。在第一个数据字移位输出以后,只要保持片选信号CS不变和时钟信号SK继续触发,器件会自动将地址加1指向下一地址,并且连续输出串行数据。只要保持片选和时钟信号SK不断地输入,器件会把地址不断增加直到器件的末地址,然后地址回到0。在连续读出的模式下,只有第一个数据输出的时候有虚拟0位,后面送出的数据都没有虚拟0

位。

图1读操作时序

写操作指令W RI TE具体时序如图2所示。起始位均为/10,写操作码为/010。在接收到写指令地址和数据以后,片选信号C S不片选芯片的时间要必须大于一定时间间隔,片选引脚CS在下降沿的时候,器件开动自动时钟去擦除并把数据存放到指定存储器。在器件进入自动时钟的模式后,时钟信号引脚SK的信号不是必须的。器件的准备/繁忙状态可以测试数据输出引脚DO得到。因为器件有在写入前自动清除的特性,所以没有必要在写入之前将存储器该地址的内容擦除。

图2写操作时序

3串行E EPROM接口和控制电路的设计

在我们自主开发的10/100M自适应以太网接口卡芯片TM802中,使用串行E EPROM来保存一些配置数据,如以太网接口卡的物理地址、多播地址、流控帧配置等信息[4]。我们使用的串行EEPROM IP核存储阵列容量为64@16,其中只使用了一小部分内容,其他部分为保留字节,以备将来功能扩展用途。EEPROM内容安排如表1所示,其中首地址(偏置地址为00H)的高8位字节内容为73H,表示该EEPROM已编程,否则表示其内容为无效状态。首字节的低8位字节内容则表示该EEPROM已编程的最后一个字节的地址指针,指明了该EEPROM中总的地址有效数。

表1E E PR OM数据安排

偏置[15B8][7B0]

0073H最后字节指针(07H)

01物理地址[47B40]物理地址[39B32]

02物理地址[31B24]物理地址[23B16]

03物理地址[15B8]物理地址[7B0]

04多播地址[47B40]多播地址[39B32]

05多播地址[31B24]多播地址[23B16]

06多播地址[15B8]多播地址[7B0]

07流控帧寄存器保留

08-FF保留保留

EEPROM接口和控制电路主要是完成两个功能:一是在芯片上电时能够完成EEPROM内容的自动加载,即将E EPROM内容自动加载到芯片内相应模块,如将物理地址、多播地址等加载到芯片的地址识别模块,将流控帧配置信息加载到相应配置寄存器等;二是必要时能够完成对EEPROM内容的改写和读取。我们设计的TM802芯片能够方便地完成这些功能。当芯片上电或复位时,首先检查EEPROM首地址的高位字节内容,如果其内容不是/73H0,表明该EEPROM尚未编程,此时芯片进入直接编程模式,可由驱动程序控制E EPROM 并对其进行直接编程,编程完成后再进入正常的工作状态即完成数据的自动加载。直接编程模式主要用来对空白EEPROM的每一位进行编程,即使EEPROM已经编程,用户也可以随时使用直接编程模式再对其进行改写或读取。

以上这些操作是通过设置一个字节的状态寄存器来进行EEPROM的各种管理和控制的。其状态寄存器字节的具体安排如表2所示。其中各位的具体含义描述如下:PROG表示EEPROM的编程状态,只读;为/10时表示EEPROM已编程,否则为/00。AUTOLD表示自动加载,置/10时允许芯片自动加载EEPROM内容,加载完成后该位将置/00。位5为保留位。DIR表示直接编程模式,置/10时表示EEPROM进入直接编程状态,驱动可以直接对EEPROM进行读写操作,编程完成后该位将置/00。位3到位0分别为C K,CS,DI, DO,它们是芯片与EEPROM IP核的接口,在直接编程模式时有效。在直接编程状态时,状态寄存器的这4位充当了EEPROM的I/O接口,在驱动程序的驱使下,通过寄存器充当I/O口完成对E EPROM 的读写操作。

表2E E PR OM状态寄存器字节安排

位地址76543210

符号PROG AUTOLD保留位DIR CK CS DI D O

用Verilog语言完成了EEPROM接口和控制电路的设计,实现了上述功能。电路具体包括两个模块:AUTOLD模块和DIR模块。AUTOLD模块状态机如图3所示,主要完成自动加载功能。在旁路信号有效时,处于初始状态IDLE。然后在复位信号有效时,从IDLE状态进入等待状态WAI T。在等待状态时,开始对系统时钟进行计时,在等待一定的系统时钟周期后,即进入中间状态TEMP,在下一个时钟周期则进入状态LOAD。在LOAD状态也保持对系统时钟的计时,在计满25个时钟周期时,

即进入状态OUT,否则保持在LOAD 状态。对于类似于93c46的IP 核,它在DI 线输入一个完整指令需要25个时钟周期,即开始位(1bit)、操作码(2bit)、地址位(6bit)、数据位(16bit),所以在LOAD 状态要计满25个时钟周期后再转入OUT 状态。在初次进入OUT 状态时,经过一个时钟周期后,要进入PROGRAM 状态,否则进入TE MP 状态、开始下一个指令循环。当加载了EEPROM 的最后一个字节后,就进入END 状态。在PROGRAM 状态主要是检查EEPROM 是否编程,如编程则进入TE MP 状态继续开始指令循环,否则进入结束状态END 。在END 状态,如果又有复位信号,则进入IDLE 状态,或者有重新加载信号,则进入状态RLOAD,否则保持结束状态。RLOAD 状态指重新开始又一次的数据加载,其下一个状态即为TE MP

。

图3 自动加载模式状态机在此状态机中,各种状态的转换是通过系统时钟的计时产生相应控制信号,并且设计中考虑到了各种可能情况,因此能够顺利完成数据自动加载功能。DIR 模块设计思路与之类似,也是在系统时钟同步下,产生符合SPI 规范的CK,CS,DI,DO 等信号,然后通过状态寄存器接口传送到EEPROM 的IP 核接口,完成相关读写操作。直接编程功能更主要是通过以太网的驱动程序协助完成,它是通过驱动程序不断访问和改写EEPROM 的状态寄存器,来直接产生符合SPI 规范的C K,CS,DI,DO

等信号。这点与AUTOLD 模块有所不同。

为了验证设计的正确性,我们提出如下测试方法:首先通过直接编程模式对EEPROM 写入各种不同的字节数据来验证读取到的数据是否和写入的一致。每个字节写入随意数据,在这里我们选择从/00H 0递增到/FF H 0的有规律数据。不同地址写入不同数据是为了更方便地检验数据与相应地址是否正确匹配。在检验EEPROM 能够正确读写后并完成编码后,再使复位信号有效,检验自动加载信号的输出是否与EEPROM 内容一致。经过ModelSim 仿真,证明了该设计能够正确完成相应功能。所设计的TM802芯片已经成功流片并拥有一定的市场应用规模。

4 结束语

EEPROM 存储器应用广泛,并且嵌入式串行EEPROM 存储器已成为当今许多片上系统解决方案的主流方案。我们用Verilog 语言完成的嵌入式串行EEPROM 接口和控制电路,能够完成自动加载和方便地进行读写等功能,能够满足嵌入式系统的多种应用要求。本文提供的设计方法和思路,对其他领域的EEPROM 嵌入式应用也具有较高的参考和借鉴意义。参考文献:

[1]于宗光,许居衍,魏同立.EEPROM 单元结构的变革及发

展方向[J].固体电子学研究与进展,1996(8):233-239.[2]饶祖刚.EEPROM 工艺及其IP Cores 的嵌入式应用[J].

中国集成电路,2003(3):77-80.

[3]I 2C 串行EEPROM 系列数据手册(pdf )[K ].Microchip

T echnology Inc,2005.

[4]TM802datasheet (pdf)[K ].Wuhan Trimode Technology Inc,

2005.

(收稿日期:2006-10-23)

作者简介:

姚亚峰(1970)),男,湖北黄梅人,华中科技大学电信系博士后,主要研究方向为多媒体通信和SOC 芯片设计等;

陈建文(1965)),男,湖北黄冈人,华中科技大学电信系副教授,博士,主要研究方向为MEMS 技术和集成电路设计等;

黄载禄(1937)),男,湖南长沙人,华中科技大学电信系教授,博导,主要研究方向为现代信号处理、宽带视频通信等。