１０　　　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　　２０１６年第２期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　Ｖｉｒｔｅｘ－６ＦＰＧＡ的ｅＭＭＣ控制器设计张耀军，孙铭，王锏（西安电子科技大学电子信息攻防对抗与仿真重点实验室，西安７１００７１）摘要：介绍了ｅＭＭＣ芯片的技术特点、工作原理，以及控制器的设计方案。该设计基于Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ－６系列ＦＰ－ＧＡ芯片，实现了控制器的设计方案，并给出了仿真结果，验证了该设计方案的可行性。此外，该设计均采用硬件逻辑实现，具有速度快、通用性强、可靠性高的特点。关键词：ＦＰＧＡ；ｅＭＭＣ；控制器中图分类号：ＴＰ３７　　　　文献标识码：ＡｅＭＭＣ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｉｒｔｅｘ－６ＦＰＧＡＺｈａｎｇ　Ｙａｏｊｕｎ，Ｓｕｎ　Ｍｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎ（Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｘｉｄｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅＭＭＣ　ｃｈｉｐ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｘｉｌｉｎｘ　Ｖｉｒｔｅｘ－６ｓｅｒｉｅｓ　ＦＰＧＡ　ｃｈｉｐ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｌｏｇｉｃ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ，ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｍｍｏｎａｌｉｔｙ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ｅＭＭＣ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ引　言ｅＭＭＣ（ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｍｕｌｔｉ　Ｍｅｄｉａ　Ｃａｒｄ）是由ＭＭＣ协会所订立的，主要针对手机、平板电脑等便携式产品的内嵌式存储器。ｅＭＭＣ存储芯片的优势在于将ＮＡＮＤ　Ｆｌａｓｈ和主控芯片封装成一个微型的ＢＧＡ芯片，提供标准的接口并管理内存，不需要处理复杂的Ｆｌａｓｈ兼容性和管理问题，使得应用厂商专注于产品开发的其他部分，从而缩短产品研发时间、降低研发成本。本设计是基于ｅＭＭＣ４．５（ＪＥＳＤ８４－Ｂ４５）协议，并在ＦＰＧＡ（ＸＣ６ＶＬＸ２４０Ｔ）上硬件实现，具有性能稳定、可移植性强、通用性好的特点，用户无需关注底层物理协议，而且操作简单。１　ｅＭＭＣ工作原理１．１　初始化系统上电后，在ｅＭＭＣ能进行正常读写之前，必须按照协议规定的步骤完成初始化。初始化过程如下：①复位进入Ｉｄｌｅ　Ｓｔａｔｅ的方式有两种：一种是通过Ｐｏｗｅｒ　Ｏｎ即上电进入，另外一种是通过发送命令ＣＭＤ０。复位之后所有的寄存器都复位成默认值，此时ＣＬＫ需要设置成ｆＯＤ的范围，即０～４００ｋＨｚ。②在Ｉｄｌｅ　Ｓｔａｔｅ发送命令ＣＭＤ１，如果ｅＭＭＣ寄存器ＯＣＲ回复值中的ｂｕｓｙ位为０，则上电复位仍未完成，需要一直发送命令ＣＭＤ１，直到ｂｕｓｙ位为１且电压匹配，则进入Ｒｅａｄｙ　Ｓｔａｔｅ。③在Ｒｅａｄｙ　Ｓｔａｔｅ发送命令ＣＭＤ２，如果命令发送成功，则得到ＣＩＤ寄存器的值，而ｅＭＭＣ进入ＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｔａｔｅ，若不成功，则ｅＭＭＣ状态不变。④在Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｅ发送命令ＣＭＤ３，完成ＲＣＡ地址分配，其中多片ｅＭＭＣ依靠分配不同的ＲＣＡ地址来区分，进入Ｓｔａｎｄ－ｂｙ　Ｓｔａｔｅ，当ｅＭＭＣ芯片进入Ｓｔａｎｄ－ｂｙＳｔａｔｅ，不再响应命令ＣＭＤ１、ＣＭＤ２和ＣＭＤ３。⑤在Ｓｔａｎｄ－ｂｙ　Ｓｔａｔｅ，首先发送命令ＣＭＤ９，获取设备寄存器ＣＳＤ的值，可以得到如块长度、存储容量、最大时钟速率等。然后发送命令ＣＭＤ７，通过参数中包含设备已分配的相对地址来选定设备，进入Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ。⑥在Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ发送命令ＣＭＤ６，其中包含切换工作速率的参数，将ｅＭＭＣ初始化低速时钟切换到正常工作的高速时钟。再次发送命令ＣＭＤ６，其中包含数据位宽和单双沿模式的参数，默认模式是一位数据位宽和单沿模式，转换数据位宽和单双沿模式，此时ｅＭＭＣ停留在Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ，初始化工作全部完成。ｅＭＭＣ初始化流程图如图１所示。

　敬请登录网站在线投稿　２０１６年第２期　　　１１　　　图１　ｅＭＭＣ初始化流程图１．２　数据读ｅＭＭＣ初始化完成后进入数据传输模式（即ＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｄｅ），它是ｅＭＭＣ的工作模式，在此模式下可实现对ｅＭＭＣ的数据读写。当没有数据传输时，ＤＡＴ０～ＤＡＴ７处于高电平状态，数据传输是以数据包为单位的，数据传输封包结构是一位开始位０，接着是数据流，包含了数据和ＣＲＣ校验码，最后是一位结束位１，其中数据传输和时钟是同步的。数据基本的传输单元是Ｂｌｏｃｋ，它的最大长度被定义在ＣＳＤ中的ＲＥＡＤ＿ＢＬ＿ＬＥＮ。数据读分为单块读和多块读。单块读操作开始时，主机先发送ＣＭＤ１６（ＳＥＴ＿ＢＬＯＣＫＬＥＮ）设置块长度，ｅＭＭＣ接收后再发送ＣＭＤ１７命令读取单块数据，单块数据读完成后自动返回Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ，等待下一次读操作。多块读操作开始时，主机同样先发送ＣＭＤ１６设置块长度，然后发送ＣＭＤ２３命令设置读取块个数，接着发送ＣＭＤ１８命令开始读取单块数据，每次单块数据读取完成则块计数加１，直到块计数等于预定块个数，多块读完成，返回Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ，进入下一轮读过程。其中须注意命令ＣＭＤ１７、ＣＭＤ１８设置读取块开始地址时，地址只有３２位（４ＧＢ），对于容量小于２ＧＢ的芯片来说，地址即为每一位字节地址，对于容量大于２ＧＢ的芯片来说，地址为扇区地址，每个扇区为５１２ＫＢ。如果想要进行局部块读操作，则必须事先通过发送命令ＣＭＤ９查看ＣＳＤ寄存器中的ＲＥＡＤ＿ＢＬＫ＿ＭＩＳＡＬＩＧＮＥＤ和ＲＥＡＤ＿ＢＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ的值是否为０，若不为０，则系统不允许局部块读，读数据时，读出块大小必须为５１２Ｂ或者ＣＳＤ中ＲＥＡＤ＿ＢＬ＿ＬＥＮ［８３∶８０］设置的值。ｅＭＭＣ数据读流程图如图２所示。１．３　数据写写操作的数据传输格式与读操作相同，均由开始位、数据、ＣＲＣ校验、结束位构成。ｅＭＭＣ有严格的数据写入图２　ｅＭＭＣ数据读流程图检查机制，通过检查ＣＲＣ校验位来判断接收到的数据是否正确，数据正确则允许写入，否则将被舍弃。数据写分为单块写和多块写。单块写操作开始时，主机先发送ＣＭＤ１６（ＳＥＴ＿ＢＬＯＣＫＬＥＮ）设置块长度，ｅＭＭＣ接收并响应后，再发送ＣＭＤ２４命令写入单块数据，单块数据写完成后自动返回Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｅ，等待下一次写操作。多块写入方式有３种：开放式写入、块写入和可靠写入。其中前两种方式与可靠写入的区别在于后者具有数据的保护写入机制：其一是新数据未写入之前，原数据保持不变；其二是在编程过程中即使掉电数据也会保持有效。在可靠性写入中，所有块长度均为５１２ＫＢ，不受设置块长度影响，可靠性写入必须是与扇区对齐的，不能任意指定地址，如果没有对齐将终止写入操作。一般情况使用块写入方式，当多块写操作开始时，主机同样先发送ＣＭＤ１６设置块长度，然后发送ＣＭＤ２３命令设置写入块个数，接着发送ＣＭＤ２５命令开始写入数据，每次单块写入完成则块计数加１，直到块计数等于预定块个数，多块写完成后，返回Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｓｔａｔｅ，等待下一轮写过程。与读过程一样，写过程也分写字节地址和写扇区地址，如果想要局部块写入操作，也必须事先通过ＣＭＤ９命令查看ＣＳＤ寄存器中的ＷＲＩＴＥ＿ＢＬＫ＿ＭＩＳＡＬＩＧＮＥＤ是否为０，若不为０，则系统不允许局部块写入，块写入时也要注意写入块必须与物理地址对齐。ｅＭＭＣ数据写流程图如图３所示。２　ｅＭＭＣ控制器设计方案本文设计的基于ＦＰＧＡ的ｅＭＭＣ控制器包括初始化模块、传输控制模块、时钟模块、命令接口模块、数据处理模块、缓存模块。各模块功能如下：①初始化模块。初始化模块的主要功能是完成对ｅＭＭＣ的基本配置工作（如复位、电压匹配、ＲＣＡ地址分

１２　　　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　　２０１６年第２期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ　图３　ｅＭＭＣ数据写流程图配、时钟切换、数据位宽设置等）。②传输控制模块。传输控制模块主要是在ｅＭＭＣ读写操作时完成读写命令的发送、命令响应的对应处理以及数据ＣＲＣ校验的比对，另外传输控制模块还要与上层用户交互。③时钟模块。由于ｅＭＭＣ芯片初始化时钟和工作时钟速度要求不同，所以时钟模块要提供时钟切换的功能，但简单的多路选择切换电路会产生毛刺，导致时钟不稳定，所以本文设计了防毛刺时钟切换电路，电路原理图如图４所示。图４　ｅＭＭＣ防毛刺时钟切换电路图④命令接口模块。命令接口模块的主要功能是将并行命令转换成串行命令发送给ｅＭＭＣ，接收ｅＭＭＣ响应的命令，并根据其响应的结果做出相应的处理。⑤数据处理模块。数据处理模块的主要功能是通过ｅＭＭＣ的ＤＡＴ接口读写ｅＭＭＣ数据，并对读写数据进行ＣＲＣ校验。⑥缓存模块。缓存模块是通过ＦＰＧＡ定制的ＦＩＦＯＩＰ核，暂存读写数据。ｅＭＭＣ控制器各模块之间需要相互协同工作。控制器工作时，初始化模块发送一系列初始化命令给命令接口模块，命令接口模块将命令通过ＣＭＤ（Ｉｎｏｕｔ型）信号线发送给ｅＭＭＣ芯片，此模块发送命令之后就等待ｅＭＭＣ芯片响应，根据响应命令来确定初始化流程状态，期间通过初始化的高速切换标志通知时钟切换模块切换到高速时钟，初始化完成之后，通知用户层可以开始进行数据传输；用户层向传输控制模块发送命令（如读写地址、读写块数、读写属性），然后传输控制模块解析上层用户的命令发送相应的读写命令给命令接口模块，而命令接口模块将命令转发给ｅＭＭＣ；当读数据时，ｅＭＭＣ将数据通过ＤＡＴ接口发送给数据处理模块，数据处理模块将对读出的数据进行ＣＲＣ校验，并将ｅＭＭＣ响应的ＣＲＣ校验值和数据处理模块计算的值一起发给传输控制模块，在传输控制模块中对比ＣＲＣ校验值，如果一致，则读取完成，将数据存储到缓存模块，然后传输给用户层，否则传输控制模块将重新发送读取命令，重新读取数据，直到ＣＲＣ校验一致为止；当写数据时，用户层将数据暂存到缓存模块，缓存模块将数据传输给数据处理模块并计算ＣＲＣ校验值，然后将数据封包发送给ｅＭ－ＭＣ，ｅＭＭＣ内部将自动对比ＣＲＣ校验值，如果一致，则写入ｅＭＭＣ，否则将被舍弃，并通过命令接口反映给传输控制模块，重新发送命令，直到ＣＲＣ校验值一致则写入完成。多块读写重复以上读写过程，直到块数和预定的块数一致为止。ｅＭＭＣ控制器框图如图５所示。图５　ｅＭＭＣ控制器框图３　仿真验证结果本文在Ｘｉｌｉｎｘ集成开发工具ＩＳＥ１４．６开发环境下，用Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ硬件编程语言实现ｅＭＭＣ控制器的总体功能以及各模块功能，使用ＩＳＥ在线逻辑分析仪Ｃｈｉｐｓｃｏｐｅ来仿真和验证控制器功能。仿真验证结果如图６～图１０所示。图６　ｅＭＭＣ控制器初始化过程

　敬请登录网站在线投稿　２０１６年第２期　　　１３　　　图７　ｅＭＭＣ控制器单块读图８　ｅＭＭＣ控制器多块读图９　ｅＭＭＣ控制器单块写图１０　ｅＭＭＣ控制器多块写结　语通过对ｅＭＭＣ的技术特点和工作原理的分析，提出了ｅＭＭＣ控制器的设计方案，并针对时钟模块提出了可靠性设计。该控制器使用Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ硬件编程语言编写，并在Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ－６系列芯片上实现，通过在线逻辑分析仪Ｃｈｉｐｓｃｏｐｅ在线采样仿真，以及对比读写命令和读写数据，验证了该设计的可行性和正确性。本文设计的基于ＦＰＧＡ的ｅＭＭＣ控制器采用硬件逻辑实现，相比传统的软件实现方式，具有速度快、接口简单、灵活性强的优势。参考文献［１］夏宇闻．Ｖｅｒｉｌｏｇ数字系统设计教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００８．［２］潘松，黄继业，陈龙．ＥＤＡ技术与Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１０．［３］刘常．数字逻辑电路［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００２．［４］ＪＥＤＥＣ　ＳＯＬＩＤ　ＳＴＡＴＥ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＡＳＳＯＣＩＡＴＩＯＮ．ＪＥＤＥＣ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ｅＭＭＣ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｓ］．ＵＳＡ：ＪＥＳＤ８４－Ｂ４５，２０１１．［５］曹军．安全ＳＯＣ芯片中ｅＭＭＣ主接口的设计与实现［Ｄ］．沈阳：辽宁大学，２０１４．［６］胡文文．基于ｅＭＭＣ存储系统性能的研究和优化［Ｄ］．北京：北京邮电大学，２０１２．［７］周杰，郝立燕，李建厂．基于ＦＰＧＡ的ｅＭＭＣ控制器及其工作方法：中国，１０３２８０２３８Ａ［Ｐ］．２０１３－０９－０４．［８］郑亮．ＳＤ／ＭＭＣ控制器的设计与实现［Ｄ］．厦门：厦门大学，２００８．［９］Ｘｉｌｉｎｘ　Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｖｉｒｔｅｘ－６ＦＰＧＡ　Ｐａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｉｎｏｕｔ　Ｓｐｅｃｉｆｉ－ｃａｔｉｏｎｓ．ＵＧ３６５（ｖ２．４），２０１１．［１０］Ｘｉｌｉｎｘ　Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｖｉｒｔｅｘ－６ＦＰＧＡ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ＵｓｅｒＧｕｉｄｅ．ＵＧ３６３（ｖ１．６），２０１３．张耀军（硕士），研究方向为基于ＦＰＧＡ的高速海量数据传输与存储；孙铭（硕士），研究方向为基于ＦＰＧＡ的电子系统设计；王锏（硕士），研究方向为基于ＦＰＧＡ的海量数据传输。（责任编辑：薛士然　收稿日期：２０１５－０８－２４）ＴＩ为中国互联网企业带来创新物联网解决方案ＴＩ与腾讯、百度、阿里巴巴及京东四家中国领先的互联网企业建立了ＩｏＴ合作伙伴关系。通过久经行业验证的低功耗和超低功耗ＳｉｍｐｌｅＬｉｎｋ线ＭＣＵ产品组合，ＴＩ针对四家企业的不同ＩｏＴ应用提供了多种创新的无线连接解决方案。ＳｉｍｐｌｅＬｉｎｋ产品组合包括面向广泛嵌入式市场的无线ＭＣＵ、无线网络处理器（ＷＮＰ）、ＲＦ收发器和距离扩展器，能够简化ＩｏＴ应用的开发并轻松实现万物互联。凭借对Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｓｍａｒｔ、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｓｕｂ－１ＧＨｚ、６ＬｏＷＰＡＮ、ＺｉｇＢｅｅ等多达１４项无线连接标准的支持，该产品组合可帮助生产商将无线连接功能轻松添加至任何产品和设计中，并满足所有的应用需求。作为此次ＴＩ与腾讯的合作项目之一，微信将指定ＴＩ作为其Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　Ｓｍａｒｔ以及Ｗｉ－Ｆｉ芯片的供应商，其终端用户可以在ＴＩ的无线芯片上实现ＡｉｒＫｉｓｓ和ＡｉｒＳｙｎｃ协议，并接入腾讯推广的微信硬件平台。未来，微信还希望将其合作论坛的一部分权限开放给ＴＩ，让ＴＩ的技术工程人员能够在论坛上为开发者提供支持，共同打造更多的创新应用。