基于FPGA的F-RAM防掉电设计

摘要 在复杂实验条件下，需采用非易失性铁电存储器记录重要数据。为防止二次上电时实验数据被覆盖，需设计防掉电功能。文中介绍了一种F-RAM的防棹电设计思路，并基于现场可编程门阵列实现，板级验证工作正常，并已在相关项目中得到应用且达到了预期功能。

关键词 非易失铁电存储器;防掉电;现场可编程门阵列

在弹载、密闭舱等某些复杂实验条件下，为记录实验数据，国内外通常采用SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM的3种方式。其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件的复杂性，同时又降低了系统的可靠性;EEPROM的写操作时间较长;NVRAM的价格限制了其的普及应用。鉴于以上情况，越来越多的设计者将注意力投向了新型的非易失性铁电存储器(F-RAM)。非易失性铁电存储器具有实时写入，读写操作简单，可擦写次数可达亿次量级，并具有低功耗等突出优点。

系统实验中可能会出现二次上电情况，此时系统再次正常工作，将向F-RAM中重新写入数据，造成已采集有效数据的覆盖，为避免数据覆盖的发生设计中需增加防掉电功能。本文主要介绍一款F-RAM芯片的硬件配置、读写操作时序，阐明了防掉电设计思路及其FPGA实现，同时验证了方法的正确性。

1 F-RAM及FPGA

本文选择FM23MLD16的8 Mbit F-RAM存储器，48个管脚BGA封装，可抗高过载，作为FPGA的外设器件。首先器件配置应正确，硬件配置决定了软件的控制及时序。根据手册，本文选择如图1所示的配置方式。

硬件上

接为低电平、CE2接为高电平，程序中将UB、LB接成低电平以配置成数据位宽16bit模式。根据硬件配置，读写操作利用

、

两信号控制，且时序关系确定，如图2和图3所示。硬件配置中需注意的是

上拉电阻务必要加入，以保证在上电及掉电时

信号不为低电平。

设计需满足时序要求，对F-RAM的读写时钟最终确定为5 MHz。由图2可知该配置下，读操作相对简单，

为低，

为高，地址变化即可;写操作需注意

的上升沿与地址、数据间满足建立时间、保持时间要求，文中

的上升沿处于数据中段。

FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性，又具有用户可编程特性，可减少系统设计和维护的风险，降低产品成本，并缩短设计周期。FPGA有着规整的内部逻辑块阵列和丰富的连线资源，适合于细粒度和高并行度结构特点的数字信号处理任务，可大幅提高系统处理速度。管脚资源丰富是采用FPGA实现的重要原因，且时序控制方便。

2 防掉电设计思路

正常的读写操作，在所选择硬件配置下满足时序要求即可。防掉电功能通过在写模式上电后，首先以判断标志位的方式实现，若标志位未写入标志信息，则执行写操作，否则进入空闲模式不再写入。而读模式将存储器内数据正常读出即可。设计增加擦除模式，将F-RAM中所有数据清零，且标志位也清零。

读写及擦除模式间的切换是通过两外置管脚的输入电平来控制的，两管脚可实现4种组合满足本文的需要，上电时通过判断管脚电平进入相应模式。其设计流程如图4所示。

图4中E、WOR为两个外置的控制管脚，0、1代表高低电平。为数据分析方便，设计每包数据均加帧头、帧尾标志信息。最初的设计思路为在标志位写固定值，上电写操作模式下先读取该标志位，擦除也只是将标志位清零。后经分析可将帧头作为标志信息，这样大幅简化了设计复杂度。每包数据帧头均由4个16'h007E构成，将其作为标志位，则写模式下，判断初始4个地址中是否为该标志位即可判别是否已写入数据，实现防掉电功能。擦除模式下将所有存储数据均清为0。每次上电后系统重新判断E、WOR状态，而读写地址均从0开始重新变化。

3 板级验证

由于该器件为FPGA外置芯片，因此读写操作的正确性需在信号处理板上进行调试，设计中的仿真只保证读写时序与设计思路一致。

板级验证方法：实验前控制E、WOR为擦除模式，数据清空。再接为写模式，则可正常写入数据，重新上电，仍处于写模式，此时标志位已写入标志信息，则结束进入空模式而不再重新写入，最后再进入读模式。具体步骤为：(1)进行擦除操作，然后系统掉电。(2)读操作看是否将F-RAM中数据清为0，然后系统掉电。(3)写操作重复写入同一组已知格式的数据(16 bit位宽)，本文采用：4个帧头(16'h007E)+数据(16'd 1、2、…、800)+2个帧尾作为第一组数据，写满后系统掉电。(4)二次写操作，仍保持E、WOR为低电平，此时每帧数据封装格式不变，将数据调整为800，799，…，1，然后系统掉电。(5)读操作，从F-RAM中读取数据，若为第一组数据则结果正确。实验结果如图5(a)～图5(c)所示，分别对应(1)～(5)步实验步骤。

图5为使用同一bit文件观测，图中相关信号的说明如表1所示。

实验结果说明，图5(a)为第一步擦除操作，E、WOR均接为低电子，擦除即将每个地址中均写入数据0，对应d_writein均为0，按写地址顺序变化。图5(b)为第二步读取操作，E、WOR均接为高电平，读取过程中读地址(r_addr_d1)顺序变化，此时读出数据均为0(read_data)，说明第一步擦除有效已将标志位清零。图5(c)为第三步写第一组数据，如图所示写地址随数据顺序增加，写F-RAM时wewe上升沿与数据及地址对齐，oeoe为低电平。图5(d)为系统二次上电E、WOR均接为低电平，仍为写模式，写入第二组数据，由于在第三步中标志位已写入标志信息，系统进入空闲模式，结束对F-RAM的操作(oeoe拉高，读写使能均为低电平)。图5(c)为第五步读取操作，读数据时，需并串转换后经异步串口将数据输出，发送完一个数据后将再读出另一个，串口速率比读时钟慢，因此图中读一个数显示占用了若干周期。

图5(c)的结果说明读出数据为实验第三步即第一次写入的数据，重复验证结果不变，说明达到了防掉电的目的，且读写功能正常，符合设计要求。

设计中考虑试验时可能遇到的E、WOR线断情况，故给两控制管脚均接入下拉电阻，避免了控制写操作时E、WOR变为高电平，进而防止了误操作的发生。

4 结束语

本文介绍了F-RAM的基本读写时序，并着重说明了基于FPGA实现防掉电的设计思路。设计利用数据帧头信息作为标志位，简化了逻辑复杂度。该方法已应用于相关项目中，为实验数据记录分析及查找问题提供了方便。