基于SPIFlash實(shí)現(xiàn)FPGA的復(fù)用配置

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外圍設(shè)備接口)是一種高速、全雙工、同步的通信總線，在芯片的引腳上只占用4根線，不僅節(jié)約了芯片的引腳，同時(shí)在PCB的布局上還節(jié)省空間。正是出于這種簡(jiǎn)單、易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

1SPI配置介紹

1．1Spantan-3ESPI配置流程

SPI方式是通過(guò)符合SPI接口時(shí)序的第三方SPIFlash對(duì)FPGA進(jìn)行加載。它適合作為FPGA硬件結(jié)構(gòu)的bit文件保存介質(zhì)，如果應(yīng)用軟件工程編譯后的代碼較小，保存在同一片SPIFLash中(即復(fù)用SPIFlash)無(wú)疑是可行的最廉價(jià)方案。

由于本沒(méi)計(jì)軟件工程規(guī)模較小，所以利用此復(fù)用SPIFlash方式對(duì)FPGA進(jìn)行配置，既保存FPGA配置的bit文件，也保存應(yīng)用軟件工程的bit文件。系統(tǒng)在上電或向PROG_B引腳發(fā)出低脈沖后，F(xiàn)PGA芯片經(jīng)過(guò)一個(gè)初始化序列清空內(nèi)部FPGA配置存儲(chǔ)器。此序列開(kāi)始時(shí)，DONE和INIT_B引腳均轉(zhuǎn)為低。初始化完成后，INIT_B引腳轉(zhuǎn)為高，并采樣芯片的配置模式及變量選擇引腳。

SPI模式下，F(xiàn)PGA對(duì)變量選擇(VS[2：0])引腳采樣，以確定發(fā)出哪個(gè)SPI命令序列。當(dāng)初始化之后發(fā)出INIT_B信號(hào)時(shí)，模式引腳和變量選擇引腳都必須處在正確的邏輯級(jí)，以確保正確采樣。

在變量選擇引腳選擇SPI命令集之后，F(xiàn)PGA將CSO_B選擇信號(hào)置為低，并且開(kāi)始通過(guò)FPGA的CCLK引腳對(duì)SPIFlash存儲(chǔ)器進(jìn)行時(shí)鐘控制。接著發(fā)出8位讀命令后跟24位起始地址0x000000和目標(biāo)命令集的適量虛擬字節(jié)。FPGA從地址0開(kāi)始讀取SPIFlash存儲(chǔ)器陣列，直到讀完所需的配置位數(shù)。如果從存儲(chǔ)器件讀取到有效比特流，則發(fā)DONE信號(hào)，以指示FPGA配置成功。圖1為SPI配置方式的時(shí)序。

圖2是AT45DB161DSPIFlash的配置接口。這種配置方式只占用了FPGA芯片的4個(gè)引腳，而且配置成功之后，所有SPI引腳都成為可用的用戶I／O引腳，這就節(jié)省了FPGA的引腳資源。

1．2SPIFlash存儲(chǔ)器的復(fù)用

復(fù)用SPIFlash是指既用它來(lái)保存硬件配置文件、Bootloader引導(dǎo)程序還用來(lái)保存用戶應(yīng)用程序。在加載階段，F(xiàn)PGA自動(dòng)從SPIFlash中讀取硬件配置bit文件及Bootloader程序進(jìn)行配置到片內(nèi)BRAM中運(yùn)行。當(dāng)完成加載后，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯啟動(dòng)，通過(guò)運(yùn)行的Bootloader程序讀取SPIFlash中的用戶應(yīng)用程序，并寫到外部SDRAM的相應(yīng)位置，最后Bootloader程序切換指令指針到SDRAM指定位置，在外部的SDRAM中開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序。

圖3給出了本系統(tǒng)中復(fù)用SPIFlash嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，用EDK中的opb_sdram連接外部SDRAM，用opb_spi連接SPIFlash(AT45DB161D)，通過(guò)Bootloader軟件程序?qū)崿F(xiàn)從SPIFlash中復(fù)制用戶應(yīng)用程序到SDRAM中，然后在SDRAM中運(yùn)行。但是，Boot-loader在系統(tǒng)上電時(shí)會(huì)通過(guò)FP-GA芯片的配置引腳首先加載到BRAM中運(yùn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)加載啟動(dòng)程序。

2Bootloader引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)

在工程代碼編寫之前要求對(duì)硬件器件有所了解，主要需要了解FPGA所需要的配置文件空間，還有Flash存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。例如：XC3S500E配置文件空間為2270208位，所以要根據(jù)它計(jì)算存儲(chǔ)應(yīng)用程序的基地址。AT45DB161D是串行接口的閃存芯片，它包含有17301504位，被組織為4096頁(yè)，每頁(yè)512／528字節(jié)。除了主存儲(chǔ)器，AT45DB161D還包括2個(gè)SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)512／528字節(jié)。在主存儲(chǔ)器正在編程時(shí)，緩沖區(qū)是允許接收數(shù)據(jù)的，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)流式寫入。(此處為528字節(jié)／頁(yè))

AT45DB161D的存儲(chǔ)器陣列分為3個(gè)級(jí)別的粒度，分別為扇區(qū)、塊與頁(yè)。圖4對(duì)各個(gè)級(jí)別進(jìn)行了分析，詳細(xì)說(shuō)明了每個(gè)扇區(qū)與塊的頁(yè)數(shù)。所有的編程操作都是針對(duì)頁(yè)的。擦除操作可以作用于芯片、扇區(qū)、塊或頁(yè)。

最后利用定義的空函數(shù)int(*boot_app_jump)(void)；”將地址指針指向內(nèi)存的應(yīng)用程序基地址，使其從此處開(kāi)始運(yùn)行程序。

／／將目的地址賦給跳轉(zhuǎn)函數(shù)
boot_app_jump=(int(*)(void))DESTINATION_AD-DR；
／／運(yùn)行跳轉(zhuǎn)函數(shù)，使其在該函數(shù)地址開(kāi)始運(yùn)行程序boot_app_jump()；

3SPIFlash軟件引導(dǎo)過(guò)程及SPIFlash編程

本實(shí)驗(yàn)使用簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序(打印hello_world)，即工程“hello_world”。工程serial_Flash_bootloader就是上面設(shè)計(jì)的引導(dǎo)程序。

3．1編譯用戶應(yīng)用程序的二進(jìn)制文件

由于應(yīng)用程序要在外部SDRAM中運(yùn)行，所以不需要初始化BRAM存儲(chǔ)器，如圖5所示。

為了指明程序的開(kāi)始地址和應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件的產(chǎn)生路徑，需要在編譯選項(xiàng)中設(shè)置。右鍵“應(yīng)用程序工程”，SetCompilerOptions在OutputELFfile中選擇可執(zhí)行文件的產(chǎn)生路徑，如XC3S500E＼hello_world＼hello_world．elf，在ProgramStartAddress中鍵入程序執(zhí)行的起始地址(這里是SDRAM的基地址：0x90000000)。接下來(lái)編譯應(yīng)用程序工程，編譯完成后就會(huì)在XC3S500E＼hello_world文件夾中產(chǎn)生hello_world．elf。為了后面對(duì)SPIFlash編程的需要，應(yīng)將elf轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制形式的文件。這就需要利用cygwinshell窗口命令來(lái)完成，這個(gè)腳本提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的命令實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。利用mb-objcopy-Obinaryoptions>ELFfileinput>bi-naryfiletooutput>命令就可以將elf轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制形式的文件(．b文件)。

例如：mb-objcopy-Obinary．／helloworld／helloworld．elf．／hello_world／hello_world．b用來(lái)在工程目錄下hello_world文件夾創(chuàng)建工程的一個(gè)hello_world．b的二進(jìn)制文件。生成的文件hello_world．b大約2KB左右。

3．2Bootloader引導(dǎo)程序與硬件配置文件的生成

serial_Flash_bootloader要初始化到BRAM中(即在“工程”上右鍵→BRAMInitializationandunmarka11)。

這樣做的意義是在編譯Bootloader程序時(shí)就將它編譯后的執(zhí)行文件(．elf文件)加入到硬件system．bit中生成一個(gè)download．bit。這個(gè)文件既包含了系統(tǒng)硬件配置信息，又包括了Bootloader程序執(zhí)行文件。由于設(shè)置了初始化到BRAM中，所以在系統(tǒng)上電時(shí)才能使Bootloader程序自動(dòng)加載到片內(nèi)BRAM中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的引導(dǎo)功能。只要利用EDK用軟件中downloadbitstram功能就可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

3．3編寫SPIPROM文件

本部分提供為SPIFlash存儲(chǔ)器創(chuàng)建PROM文件的指導(dǎo)原則。在將生成bitstram．bit比特流轉(zhuǎn)換成SPI格式PROM文件之前，設(shè)計(jì)人員必須確認(rèn)該比特流是用bitg-en-gStartupClk：Cclk選項(xiàng)生成的。此選項(xiàng)使啟動(dòng)順序與Spartan-3E內(nèi)部時(shí)鐘同步，從而確保FPGA功能正常。

①將硬件配置和serial_Flash_bootloader引導(dǎo)程序的bitstrem．bit轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。
②將前面得到的應(yīng)用程序的二進(jìn)制文件(hello_world．b)轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。
③將以上得到了2個(gè)MCS文件合成1個(gè)MCS文件。
④編程SPIFlash芯片。

以上過(guò)程，除了③以外，Xilinx公司的iMPACT編程軟件都可以實(shí)現(xiàn)。③要由DOS命令完成。所以下面都是以DOS命令來(lái)完成編程的全過(guò)程。

再使用DOS命令完成格式化和編程之前，要對(duì)down-load．bit、應(yīng)用程序、spiPartNam和spi_offset參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便XSPI軟件程序能對(duì)用戶要求加以識(shí)別。如下：
setbitstream=．．／implementation／download．bit
setapplication=hello_world
setspiPartName=AT45DB161D／／SPIFlash器件的名稱
setspi_offset=0x63000／／hello_world的應(yīng)用程序就會(huì)從
／／Flash中0x63000地址向上存放，引導(dǎo)程序也是從這里開(kāi)始加載
／／到SDRAM中的

接下來(lái)就是執(zhí)行轉(zhuǎn)換的命令。

第1步：REMStep1．Convertdownload．bittomcsimpactconvert_bits_to_mcs．cmd

此命令將硬件配置和serial_Flash_bootloader引導(dǎo)程序的bitstrem．bit轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。

第2步：REMStep2．Convertbinaryapplicationtomcs

xmcsutil-accept_notice-i％application％．b-o％appli-cation％．mcs-29

完成了應(yīng)用程序(hello_world)的二進(jìn)制文件(hello_world．b)轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。

第3步：REMStep3．combineapplicationmcswithbitstreammcs

xmcsutil-accept_notice-ibitstream．mcs％applica-tion％．mcs-ocombined．mcs-16-segaddr0x00％spi_off-set％-usedataaddr-padff

這個(gè)命令將以上得到了的MCS文件合成一個(gè)MCS文件。

第4步：REMStep4．ProgramtheAT45DB161D

xip-accept_notice-skip_syncword_check-mcs-spi_epv-icombined．mcs-overify．txt-select_cable1

完成對(duì)SPIFlash芯片編程。此命令使用輪詢擦除SPI內(nèi)容，然后對(duì)SPI器件的內(nèi)容進(jìn)行編程和驗(yàn)證。任何驗(yàn)證不匹配項(xiàng)都記錄在result．out文件中。默認(rèn)情況下，XSPI認(rèn)定數(shù)據(jù)是HEX格式。如果輸入文件是HEX格式，則去除-mcs選項(xiàng)。

Xilinx軟件工具iMPACT從Spartan-3E比特流生成SPI格式PROM文件。SPI存儲(chǔ)器件首先串行輸出數(shù)據(jù)的MSB字節(jié)，而XilinxPROM則首先輸出數(shù)據(jù)的LSB。與標(biāo)準(zhǔn)XilinxPROM文件相比，SPI格式PROM文件在每字節(jié)內(nèi)有位反轉(zhuǎn)，因此，需要在PROMgen中使用-spi選項(xiàng)才能正確格式化。XSPI支持．hex和．mcs兩種SPIPROM文件格式。以下所示為生成SPI格式．mcs文件的PROMGen命令行操作的示例。要生成SPI格式PROM文件．hex，請(qǐng)用-Phex替換-pmcs選項(xiàng)開(kāi)關(guān)。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹的是SPIFlash存儲(chǔ)器的復(fù)用編程方法的實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用程序不是很大時(shí)，可以使用此方法復(fù)用SPIFlash存儲(chǔ)器，減少外圍電路，但是配置時(shí)間較長(zhǎng)。在不要求配置時(shí)間的基礎(chǔ)上，可以考慮使用SPI配置模式。