基于RISC-V,芯片的内置Flash,自编程实现方式

张文文，来鹏飞

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏无锡 214072）

随着科技的进步，各类产品进入智能化时代，常用的智能产品大多内置微控制单元（MCU）芯片。产品出厂前根据实际应用需求在MCU 芯片内部固化了相应的程序，这些程序存储在内置的Flash 闪存中。用户可以根据个人需求自主配置乃至定义一些应用。智能产品为了满足用户的需求，都支持灵活的Flash 编程方法。

MCU 芯片是微型的片上系统（SoC），其内部带有一个或多个核心。常见的MCU 核心有需要授权的ARM 核心，也有开源免费的RISC-V 核心[1-3]，RISC-V具有低功耗、低成本、灵活可扩展及安全可靠等特征[4]。自编程技术就是在Flash 主存中定义一段存储空间，放置升级代码，即擦写Flash、读取存储器或者通信程序，升级时运行这段代码，擦写Flash 的应用程序段，实现在线自编程[5-6]。本文基于RISC-V 芯片，提出了一种灵活的Flash 自编程方法。

Flash 自编程就是在板级系统中通过程序对Flash的存储程序内容进行修改。其中的难点就是执行的程序也在Flash 中，对Flash 进行编程的时候就要暂停执行程序，等编程结束后再执行程序。

Flash 的自编程实现方法有两种：第一种方法将执行自编程的程序放到其他存储器中执行，一般是芯片内置的电易失随机存储器（RAM）；
第二种方法在自编程的时候将核心时钟停止，等自编程完成后再打开时钟，核心继续读Flash 的取值，执行程序[7]。

第一种方法的优点是应用主程序和自编程的程序相互独立，功能划分清晰；
缺点是需要芯片中有额外的存储单元，如果没有或者容量不够那就要增加一块存储的面积，导致芯片面积增加，而且RAM 是掉电易失存储器，需要把自编程程序先放到Flash 中，执行时再搬运到RAM 中，流程复杂。第二种方法涉及时钟的控制，硬件实现比较复杂；
同时应用主程序和自编程的程序都在Flash 中执行，两块程序交织在一起，整体程序繁琐。

RISC-V 是一个典型三操作数、加载-存储形式的RISC 架构。RISC-V 的指令集使用模块化的方式进行组织，每个模块使用一个英文字母来表示。其最基本也是唯一强制要求实现的指令集部分是字母I 表示的基本整数指令子集。RISC-V 架构支持32 bit、64 bit 或者128 bit 的架构，RV32 表示32 bit 架构，其中每个通用寄存器的宽度为32 bit。为了进一步减少面积，RISC-V 架构还提供了一种“嵌入式”架构，用字母E表示，E 是I 的一个子集。E 架构将通用寄存器数量由32 减少到16 个。除此之外，RISC-V 还有多个扩展指令集仍在不断地完善中，现今已经确定的有：整数乘法与除法指令（M）；
原子操作指令（A）；
单精度浮点指令（F）；
双精度浮点指令（D）；
4 倍精度浮点指令（Q）；
压缩指令（C）[8-9]。

本设计基于32 bit 的RISC-V 架构，基本指令集架构使用的是E，扩展指令集使用的是M、A 和C，记作RV32EMAC，共提供112 条指令，分别为E 的47 条指令，M 的8 条指令，A 的11 条指令和C 的46 条指令。其中有一条等待中断指令wfi，当执行该指令时，如果没有待处理的中断，则核心处于空闲状态[10]，也就是说执行wfi 指令后，RISC-V 核心就停止运行，直到有中断唤醒再继续工作。

4.1 设计方案

本文设计了一种简单的兼容两种自编程方式的方案，在MCU 芯片中只需要增加少量硬件开支。本设计仅在Flash 的控制器模块增加自编程的控制逻辑，并将自编程的控制与正常Flash 操作的控制进行二选一。

表1 中自编程控制逻辑设计增加了3 个寄存器，基 地 址 为32’h20c12140， 数 据 位 宽 为32 bit。sp_ctrl_reg 为自编程的控制寄存器，其中低4 位为有效控制位，具体说明见表2，设计中编程功能优先级比擦除高，第1 位和第2 位都为0 时，选择读功能；
sp_addr_reg 为自编程的地址寄存器，存放的是自编程的操作地址；
sp_data_reg 为自编程的数据寄存器，存放的是自编程的操作数据。

表1 自编程寄存器

表2 自编程的控制寄存器说明

自编程的控制状态机共有4 个，如图1 所示。上电复位后自编程处于IDLE（空闲）状态，当配置自编程的控制寄存器中的自编程使能位后，自编程进入HALT（运行）状态；
在HALT 状态下，自编程配置Flash 的读写擦操作，然后进入WAIT（等待）状态；
当Flash 开始读写擦操作后，自编程进入END（结束）状态；
在END状态下，自编程将读回的数据放入自编程的数据寄存器中，回到IDLE 状态，等待下一次的自编程操作。本设计不需要关注Flash 读写擦的结束时间，其由Flash的中断与wfi 指令配合实现。

图1 自编程状态

4.2 自编程工作实现的流程

控制是由MCU 芯片的内核主导的，内核通过取指操作驱动总线到存储器中读取程序，其兼容两种自编程方式，第一种存储器为Flash，第二种为RAM，两种编程方式的工作流程分别如下。

方式1：不带RAM 的自编程工作流程如图2 所示，指令程序放在Flash 里，首先配置好自编程的几个寄存器，启动自编程使能信号，发送wfi 指令，等待自编程完成的中断，然后继续运行程序。

图2 自编程工作流程

方式2：将程序放到RAM 中执行，操作同方式1。与传统方案相比，本设计的优点在于不需要配置定时器，Flash 自编程结束后，中断自动触发程序继续运行，同时内核在自编程过程中也是停止工作的，这样也降低了内核的动态功耗。

通常情况下两种方式选任意一种即可，当芯片中没有RAM 时选择方式1，应用程序复杂时选择方式2。这种兼容设计不仅解决了自编程硬件设计复杂的问题，也解决了应用流程复杂的问题。

4.3 功能验证与结果分析

在正常运行的程序中加入自编程对Flash 编程写的操作，按照方式1 中运行的程序编译的汇编代码如图3 所示，方式1 自编程Flash 写操作仿真波形如图4所示，按照方法2 运行的自编程Flash 写操作仿真波形如图5 所示。

图3 自编程Flash 写操作汇编代码

图3 中的汇编程序是按照图2 的自编程工作流程编译的。在配置自编程控制寄存器sp_ctrl_reg 的语句中，值0x3 代表选择编程功能，当选择页擦除时值为0x5，当选择全片擦除时值为0xd，当选择读功能时值为0x1。Flash 对应的内存基地址为0x20400000，RAM对应的内存基地址为0x20800000。图3 蓝框部分为在Flash 中运行时执行程序存放的地址，当选择方式2 时对应的204xxxxx 改为208xxxxx。

图4（a）为整体波形，整个过程分为3 个阶段，分别是对自编程进行配置、执行自编程的写Flash 操作以及退出自编程回到正常工作。波形中信号sp_stm_cs为自编程的状态机状态寄存器；
sp_en 为自编程的使能信号；
sp_prog 为自编程的写模式选择信号；
io_pc 为核心运行的pc 值；
A 为Flash 的地址，由于Flash 的数据位宽为32 bit，而对应系统总线的地址按8 bit 进行索引，所以总线访问Flash 的地址为0x10000，A=0x4000；
DIN 为Flash 的输入数据；
DOUT 为Flash的输出数据；
CEb 为Flash 的使能信号，低有效；
PROG、PROG2 和WEb 为bit Flash 的写控制信号。从图4（b）可以看出，进入自编程的最后一条指令就是wfi，然后io_pc 值暂停，io_pc=0x204000F4，0xF4 是Flash 的实际地址A=0x3D，当自编程完成之后，核心继续从该地址执行。图5 与图4 的区别是执行wfi 指令之后，io_pc 值暂停为0x208000f8。

图4 方式1 自编程Flash 写操作仿真波形

图5 方式2 自编程Flash 写操作仿真波形

在国外对处理器内核技术进行限制的背景下，RISC-V开源的属性使其在国内掀起研究热潮。本文提出了基于RISC-V 芯片的内置Flash 自编程新方法，解决了现有Flash 自编程方法硬件设计复杂、应用流程繁琐的问题，并详细介绍了实现方案，给出了操作流程，分析了验证结果。本文所述的基于RISC-V 兼容Flash 自编程的方法，使用灵活，逻辑设计简单，应用方便，市场前景广阔。