1 引言

　　針對航天測試系統的應用需求，提出一種基于FPGA的微型數字存儲系統設計方案。該系統是在傳統存儲測試系統的基礎上，利用可編程邏輯器件FPGA對傳統存儲測試系統進行單元電路的二次集成，使測試系統體積大幅減小，功耗急劇降低，從而提高系統的抗高過載性能，增加系統靈活性、通用性和可靠性。FPGA不僅完成控制存儲及大部分的相關數字邏輯單元電路，而且使得整個存儲系統更為簡單，布線也更容易。另外，系統FPGA編程就是按照預定功能連接器件內的熔絲，從而使其完成特定邏輯功能的過程，一旦完成編程，FPGA就相當于一片能夠完成特定功能的集成電路，因而無需擔心程序運行路徑出錯，這與單片機有本質區別。

2 系統硬件設計

2．1 器件選型

2．1．1 電源轉換器TPS70358

系統中，FPGA工作電壓為3．3 V和2．5 V，USB接口器件CY7C68013 工作電壓為3．3 V，Flash工作電壓為3．3 V，系統需通過電源器件TPS70358將電壓轉換為3．3 V和2．5 V，為系統各器件提供電源。TPS70358是新一代的集成穩壓器，是一個自耗很低的微型片上系統，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、DSP)供電的電壓轉換。

2．1．2 現場可編程門陣列(FPGA)XC2S50

該系統采用XC2S50型FPGA控制各個接口，該器件是xilinx公司生產的Spartan II系列高性能現場可編程門陣列(FPGA)，具有如下特點：內置標準JTAG接口，支持3．3 V在系統可編程(ISP)；3．3 V電源，集成密度為50 000個可用門；引腳到引腳的延時7．5 ns，系統頻率高達200 MHz。采用單片FPGA實現邏輯控制功能簡化電路設計，提高系統可靠性。且XC2S50系統可編程，只需將一根下載電纜連接到目標板上，就可多次重復編程，方便電路調試。

2．1．3 USB 2．0控制器CY7C68013

CY7C68013是Cypress公司生產的一款USB 2．0控制器，該器件具有運算速度快、功耗小和性價比高等特點。時鐘周期高達40 MHz，每執行1條指令需4個時鐘周期；其內部集成有USB接口，I2C總線接口等，該系統設計實際數據傳輸速度高達10 MHz。

2．2 電路設計思路

圖1為系統硬件結構框圖，計算機通過USB接口控制可編程邏輯器件FPGA實現對Flash存儲器的塊擦除、頁編程、讀數據等操作。
 

塊擦除操作時，計算機通過USB接口向FPGA發送指令，FPGA接收到指令后對Flash存儲器進行塊擦除操作，并將狀態返回計算機；頁編程操作時， FPGA接收計算機并行接口發送的指令，立即對Flash存儲器進行頁編程操作，先寫命令，再寫要編程的地址，然后將數據發送到Flash存儲器中；讀取數據操作時，FPGA首先接收計算機發出的指令，然后對Flash存儲器進行讀取數據操作，先寫命令，再寫要讀取的地址，然后開始輸出數據，并將狀態返回計算機并行接口。

3 系統軟件設計

3．1 FPGA對Flash的讀、寫、擦除操作

FPGA執行對Flash的讀、寫、擦除操作是利用VHDL語言的狀態機實現的。狀態機控制Flash的時序電路簡單易行，邏輯關系一目了然。XC2S50接收到CY7C68013傳來的擦除控制命令，立即執行擦除操作。按照時序，首先寫入自動塊擦除設置命令60H，之后依次寫入2個行地址和1個列地址進行尋址，而后寫入擦除命令D0H開始執行擦除操作。

讀操作較為復雜，需要XC2S50和CY7C68013協同工作。這里只給出讀信號的操作過程。先寫人讀設置命令00H，因為讀一次執行一頁，所以地址的寫入是2個行地址和3個列地址，之后寫入讀命令，在等待rb變高后就可發送re信號將數據從Flash讀出。寫操作過程與讀操作類似，但寫操作完全由 XC2S50控制，寫完命令、地址后，開始寫入數據，直到寫滿2 KB數據，最后輸入頁編程命令。需要注意每寫完2 KB數據，Flash返回的狀態信號rb所等待的時間較長，大約是140μs。圖2為頁編程的流程。
 

3．2 CY7C68013控制邏輯及固件程序設計

CY7C68013主要完成兩部分工作，一是實現對擦除的控制開關命令，即上位機通過USB接口發送擦除命令，CY7C68013接收到這個命令后，會發送一個約為200 ms低脈沖通知FPGA啟動擦除操作；二是通過與FPGA配合，完成從Flash通過CY7C68013的GPIF接口讀入上位機的任務。 CY7C68013所用到的I／O包括控制線USBCTR1，狀態線US-BS0，讀信號線USBRD及8條數據線。