FPGA中SPI復(fù)用配置的編程方法

SPI(Serial Peripheral Interface，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。正是出于這種簡單、易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

1 SPI配置介紹
1．1 Spantan-3E SPI配置流程
SPI方式是通過符合SPI接口時(shí)序的第三方SPI Flash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SPI FLash中(即復(fù)用SPI Flash)無疑是可行的最廉價(jià)方案。
由于本沒計(jì)軟件工程規(guī)模較小，所以利用此復(fù)用SPI Flash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)過一個(gè)初始化序列清空內(nèi)部FPGA配置存儲(chǔ)器。此序列開始時(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，并且開始通過FPGA的CCLK引腳對(duì)SPI Flash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開始讀取SPI Flash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AT45DB161D SPI Flash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。

1．2 SPI Flash存儲(chǔ)器的復(fù)用
復(fù)用SPI Flash是指既用它來保存硬件配置文件、Bootloader引導(dǎo)程序還用來保存用戶應(yīng)用程序。在加載階段，F(xiàn)PGA自動(dòng)從SPI Flash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)，通過運(yùn)行的Bootloader程序讀取SPI Flash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中開始執(zhí)行應(yīng)用程序。
圖3給出了本系統(tǒng)中復(fù)用SPI Flash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SPI Flash(AT45DB161D)，通過Bootloader軟件程序?qū)崿F(xiàn)從SPI Flash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。

2 Bootloader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2 270 208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17 301 504位，被組織為4 096頁，每頁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)
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。圖4對(duì)各個(gè)級(jí)別進(jìn)行了分析，詳細(xì)說明了每個(gè)扇區(qū)與塊的頁數(shù)。所有的編程操作都是針對(duì)頁的。擦除操作可以作用于芯片、扇區(qū)、塊或頁。
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)地址開始運(yùn)行程序boot_app_jump()；