基于AHB_BUS的eFlash控制器的架构设计

eFlash控制器的架构设计

1.架构设计思路分析

1.1 含有的模块分析

• eFlash控制器是一个基于AHB的slave，所以需要一个AHB_slave_if处理AHB的信号。AHB_slave_if与AHB总线进行交互，对主设备的请求进行处理，还可以设置一些内部的寄存器，对AHB发送过来的信号进行解析。
• AHB_slave_if除了处理AHB总线的信号，还需要配置一些寄存器，这些寄存器的作用是产生一些控制指令发送给Flash_ctrl，Flash_ctrl将指令转换为Flash的控制信号，对Flash进行读写。
• 将256kbyte的eFlash拆分成两块Flash（Flash0和Flash1），每一块Flash都是128kbyte，拆分之后可以通过片选及地址信号，选择性的读写擦除其中一个，有利于低功耗设计。
• 存在两个Flash，所以需要设计一个模块对于两块Flash进行控制，可以将这个控制Flash的模块单独设置一个Flash_ctrl模块。在SRAM控制器中，由于SRAMC的控制信号可以通过AHB信号转换为SRAM的控制信号，控制信号生成和转换的过程集成在AHB_sram_if中；这里Flash的控制信号相对比较复杂，所以单独设置Flash_ctrl进行Flash的控制。

1.2 Flash_ctrl信号分析

• Flash_ctrl接收AHB_slave_if模块发送过来的命令（cmd）和数据(cmd_payloads)。
  
  cmd表示读写擦操作(read/write/prog/page erase/mass erase)。
  
  cmd_payload表示于操作对应的信号，比如cmd是写操作，就要有写数据wdata,写到哪一页page_num,写的地址addr...
• Flash_ctrl接收到AHB_slave_if发送的命令之后，生成具体的Flash控制信号发送给Flash0或者Flash1。发送的信号主要有xadr，yard，xe，ye，se，erase，prog，mas1.din等。
• Flash收到Flash_ctrl发送过来的控制信号之后，如果是读操作，Flash0或者Flash1会返回读数据（dout），Flash_ctrl接收到读数据之后，会进行汇总，通过一个mux将dout发送给AHB_slave_if，然后再作为hrdata返回给AHB总线。

1.3 读写操作控制

• 读操作，从前门的文档中可以知道，从Flash读取数据速度较快，大概需要24ns的时间，如果使用200M的时钟，时钟周期是5ns,读取Flash的数据需要5个cycle的时间。5个cycle时钟周期相对来说时间比较短，可以通过AHB总线，拉低hready_out（这里使用的是hready_ctrl）信号，延迟5个cycle，就可以将数据读出。
  
  为了延迟5个cycle，Flash_ctrl模块需要返回一个hready_ctrl给AHB_slave_if，表示dout是不是有效的。读的时候，AHB发起请求之后需要5个cycle得到数据，AHB发起请求之后可以进行等待，需要将hready_ctrl拉低5个cycle之后再拉高。读的时候可能只需要几个cycle就可以读出数据。
• Flash_ctrl模块除了要返回dout之外，还需要返回一个标志操作结束的信号finish。
  
  
• 对于写操作和擦除操作，操作的时间较长。写的时间单位是微秒级的，擦除的时间单位是毫秒级的，假设对应于200M的时钟频率，时钟周期是5ns，那么写和擦除的操作都要耗费上千个周期。所以不能通过拉低hready_out的方式进行写和擦除，这样会大大降低AHB总线的效率。写和擦除往往是通过发起中断的方式进行操作。
• 如果写或这擦除操作完成之后，Flash_ctrl会发送finish信号给AHB_slave_if，AHB_slave_if接收到finish信号之后，会发送中断给中断控制器（CPU），CPU或者中断控制器之后，就可以根据中断响应程序进行响应。
  
  

1.4 读写操作详解

1. 读取数据时间需要24ns，200M的时钟频率，5个cycle就可以完成读取数据。针对于读数据操作，如果Flash没有准备好读数据，可以通过拉低hready信号进行延长读数据的时间，但是延迟周期不能超过16个cycle。延迟周期越多会降低总线的利用率，因为hready拉低表示没有有效的数据传输。
   
   对于读取操作（read access），利用AHB总线传输，解析地址，根据地址驱动Flash_ctrl，进行控制Flash。
2. 写操作，Tnvs = 5us，200M时钟频率，需要1000个周期进行建立时间，所以写一笔数据耗费的时间非常的长。所以写操作和擦除操作不适合使用读操作的方式。写操作，使用中断的形式进行，配置AHB_slave_if中的一些寄存器，配置的内容主要有：配置写谁（main block or information block），配置写地址，配置写的区间，配置setup time和hold time。所以AHB_slave中存在配置中断的中断寄存器。
   
   配置完成之后，AHB_slave_if发起一个enable信号或者start信号，写命令和数据通过cmd和cmd_payload给到Flash_ctrl，Flash_ctrl根据状态机（Flash_ctrl中的模块）按照时序图将数据写入Flash。写完之后，Flash_ctrl发送一个finish信号给到AHB_slave_if。AHB_slave_if拿到finish信号之后，可能进行额外的判断，比如判断是否开启了中断屏蔽，中断屏蔽开启，AHB_slave_if就不发出中断，如果中断屏蔽关闭，就发出中断。如果发出中断，CPU通过中断服务程序对中断响应，CPU进行下一步操作，此时中断是一直拉高的。如果要CPU需要写寄存器，将中断清除。
   
   3、擦除操作和写操作的执行差不多，都需要进行配置寄存器，配置擦除的地址，页数等。

1.5 寄存器的配置

AHB_slave_if中需要实现一些寄存器

1、config寄存器，其中包括地址addr，setup时间和hold时间。

2、中断使能寄存器(int_en)，将中断开关打开，finish来了之后需要中断打开，让中断能够发出。

3、状态寄存器（status），记录当前是哪个操作(写或者读)完成了。还需要设置一些寄存器,记录error状态,当前如果处于boot模式下，需要进行读写的保护，在boot期间，对于boot区间写擦的操作，就用寄存器将这个错误状态进行记录。后续如果发起中断给CPU，CPU会发现非法操作进行，进入中断服务程序进行排查。

1.6 Flash_ctrl中有一个状态机和计数器

2.eFlash架构设计文档