大容量串行e-Flash的FPGA配置方案
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現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)是一種集通用性強、設(shè)計靈活、集成度高和編程方便等諸多優(yōu)點于一身的現(xiàn)場可編程ASIC。自1985年美國的Xilinx公司推出FPGA產(chǎn)品并取得成功以后，FPGA發(fā)展迅猛，門數(shù)不斷提升，達到數(shù)百萬門的規(guī)模；產(chǎn)品種類日益豐富，性能不斷完善，在軍事、通信、醫(yī)療、消費類電子等各領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。
Xilinx公司的FPGA具有很高的性價比，其集成開發(fā)環(huán)境ISE和Webpack效率高、界面友好，因此在業(yè)界有著廣泛的應用。通常對Xilinx公司的FPGA配置采用專用的配置芯片，速度較快，其價格也正逐步降低。筆者為配合某電力測量儀表的開發(fā)，對Xilinx公司的SpartanII系列FPGA的配置方案進行了探索，總結(jié)出一套成本低廉、接口簡單、便于移植的方法。該方法采用Megawin公司的1Mb大容量串行e-Flash存儲器MM36SB010存放FPGA配置文件，通過MCU在被動串行模式下完成了對XC2S30的在線配置。
1 Spartanll配置簡介
Xilinx公司的SpartanII系列FPGA產(chǎn)品成熟。該系列是采用0.18 μ m工藝的2.5V低電壓FPGA芯片，功耗低，可無限次編程。XC2S30是該系列FPGA中的一款，總門數(shù)達3萬門，可以實現(xiàn)電力測量儀表中采樣數(shù)據(jù)的串行編碼和多CPU間的數(shù)據(jù)交換的功能。
XC2S30采用CMOS SRAM工藝。由于SRAM的易失性，斷電后配置信息消失，因此上電時必須對該芯片重新配置才能使其正常工作。本節(jié)將詳細介紹XC2S30的配置方式。該配置方式對SpartanlI系列的其它FPGA同樣適用。
1.1 配置模式
XC2S30支持4種配置模式：被動串行模式（slave serialmode）、主動串行模式(master serial mode)、被動并行模式(slave parallel mode)和邊界掃描模式(boundary-scanmode)。在每次芯片上電初始化完畢后，芯片將采樣模式引腳M[2：0]以決定配置模式。配置引腳狀態(tài)和配置模式的關(guān)系如表1所列。(X代表任意狀態(tài)。)
根據(jù)不同的應用場合，用戶可以選擇不同的配置方式。在XC2S30內(nèi)部邏輯設(shè)計階段，可采用邊界掃描模式進行配置。配置文件可通過Xilinx公司的下載電纜(如Xilinx并行下載電纜)下載到芯片，便于在線調(diào)試。但是在產(chǎn)品成品階段，已經(jīng)設(shè)計好的配置文件必須存儲于EEPROM或者Flash等非易失的存儲器中。在系統(tǒng)上電時，外圍器件通過FPGA配置引腳將配置文件傳送至FPGA中，從而使其正常工作。根據(jù)用戶的需要，可以選擇主動串行模式、被動串行模式和被動并行模式。其中串行的兩種模式需要的I/O口資源較少，但速度較慢；被動并行模式需要的I/O口資源較多，速度也較快。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求，選擇了占用I/0口資源較少的被動串行模式對XC2$30進行配置。
1.2 被動串行模式下的配置引腳
在被動串行模式下，所用到的配置引腳為模式選擇M[2:0]、配置時鐘CCLK、配置復位PROGRAM、配置完成DONE、配置數(shù)據(jù)串行輸入DIN和初始化狀態(tài)INIT。
1.3 被動串行模式下的配置步驟及時序
XC2S30上電后，當內(nèi)核和I/O口電源引腳電壓達到高電平或者用戶將PROGRAM引腳置低時，芯片便進入初始化狀態(tài)。此后芯片將INIT引腳置低，代表芯片正在清空配置存儲器，清空完成后INIT引腳將被置高，代表清空完畢。在INIT的上升沿，模式選擇引腳M[2:0]被采樣，以決定配置模式，若為11x則采用被動串行模式。此后配置文件信息可以通過CCLK和DIN兩個配置引腳輸入至XC2S30中。配置數(shù)據(jù)在CCLK的上升沿采樣。在配置期間芯片會自動進行CRC錯誤檢驗。若發(fā)生了CRC校驗錯誤，INIT引腳將被置低，用戶可以檢測該引腳判斷配置過程中是否出現(xiàn)錯誤。當配置文件成功輸入至芯片中，芯片置DONE引腳為高，用戶可檢測該引腳判斷配置是否成功。此后芯片進入正常工作狀態(tài)。配置流程如圖1所示。
2 MM36SB010的讀寫方式
MM36SB010是Megawin公司生產(chǎn)的大容量SPI串行e-F1ash存儲器。該芯片具有低功耗(小于4mA)、寬電壓(2.4～5.5V)、高速(8MHz工作頻率)、大容量(1Mb)和小頁面(每頁128B)、低成本等諸多優(yōu)點，特別適合于消費電子、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應用。該芯片可工作在2線或者3線串行總線方式。本方案使用該芯片存儲FPGA配置文件，讀寫接口簡單，速度快。
MM36SB010的容量為1Mb，共分1024頁，每頁128B。芯片內(nèi)部有1個128B的緩沖區(qū)，可以對讀寫數(shù)據(jù)進行暫存，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
MM36SB010可工作在2線或者3線串行總線方式，工作方式通過SMC(串行模式控制)引腳來選擇。當SMC為高電平時，為2線方式；當SMC為低電平時，為3線方式。本方案采用3線方式，串行數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳分開，數(shù)據(jù)輸入引腳為SDl0，數(shù)據(jù)輸出引腳為SDO。MM36SB010的狀態(tài)可通過引腳BUSY來檢測，也可以通過訪問狀態(tài)寄存器進行查詢。3線工作方式的電路示意如圖3所示。
MCU可通過SCLK和SDIO引腳向MM36SB010發(fā)送控制命令，實現(xiàn)MM36SB010的軟件復位、Flash存儲器或緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫和狀態(tài)查詢等功能。常用的命令有軟件復位(SRC)、讀狀態(tài)寄存器(RSE)、讀F1ash存儲器數(shù)據(jù)(RME、RMEC)、寫緩沖區(qū)(WEB、WEBC)、帶預擦除功能的寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)至Flash存儲器(WBMEP)。所有的命令、地址和數(shù)據(jù)都從最低位(LSB)開始發(fā)送。
在MM36SB010上電后需執(zhí)行一次軟件復位指令，等待20ms后芯片即可正常工作。數(shù)據(jù)可從Flash存儲器中用RME和RMEC：指令直接讀取，但寫數(shù)據(jù)至Flash存儲器前必須用WEB和WEBC命令將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)內(nèi)，再用WBMEP或者WBMP命令將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)送入Flash存儲器。
雖然MM36SB010的時鐘SCLK的頻率最高可達8MHz，但是由于每次從Flash讀寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)前必須先送入控制命令，因此實際的讀寫速度小于4MHz。
3 配置方案
Xilinx公司針對各款FPGA都設(shè)計了專用的配置芯片，如在系統(tǒng)可編程18VXX系列和串行一次性可編程PROM-XCl7V00系列。目前18Vxx系列價格正逐步降低，但是由于其專用性，該ROM很難被系統(tǒng)中其它部分共享；XCl7V00系列雖然價格較低，但只能一次性燒寫，只適用于成品階段。本方案中XC2S30的配置文件存儲于MM36SB010，并由MCU完成其讀寫功能，配置文件通過RS232串口下載。當配置文件下載完畢后，由MCU從MM36SB010中讀取并對XC2S30進行配置。MM36SB010中其余存儲空間可供其它程序模塊使用。
3.1 硬件框圖
MCU通過SCLK、SDIO、SDO完成對MM36SB010的讀寫，同時MCU通過CCLK、DIN、INIT、PROGRAM、DONE引腳完成對XC2S30的配置。硬件框圖如圖4所示。
3.2 MCU程序
本方案的MCU內(nèi)部程序主要完成三部分功能：與PC機的串口通信、讀寫MM36SB010和配置XC2S30。MCU工作在兩種狀態(tài)，在上電時MCU從MM36SB010中讀取配置文件并對XC2S30進行配置，完成配置后等待PC機從串口發(fā)出的下載命令。接收到該命令后，MCU開始接收配置文件并寫入MM36SB010。程序流程如圖5所示。
對XC2S30配置的程序部分主要完成被動串行模式的配置時序，配置時序如圖6所示。
配置部分程序代碼如下：
//函數(shù)定義
//從e-Flash中讀取配置文件數(shù)據(jù)void ReadFlashData(unsigned int p_addr，unsigned char b_addr，unsigned char count，unsigned char*buf)
//p_addr為頁地址，b_addr為頁內(nèi)地址，buf為MCU內(nèi)部存儲 //器指針{
unsigned int i，temp=0：
send_one_byte(0x9C)； //送RME指令
send_one byte(b_addr)； //送頁內(nèi)地址
send_one_byte((unsigned char)(P_addr 0x00FF))； //送頁低字節(jié)地址
send_one_byte((unsigned char)p_addr0xFF00))； //送頁高字節(jié)地址
buf[0]=read one byte()； //讀取數(shù)據(jù)
for(i=1;icount;i++){ //連續(xù)讀取數(shù)據(jù)
send_one_byte(RMEC)； //送RMEC指令
buf[i]=read_one_byte()；
}
}
//向SpartanlI發(fā)送配置數(shù)據(jù)
void SendConfigData(unsigned char count，unsigned char*configdata)
{
unsigned chari，j，temp；
CCLK=0；
for(i=count;i>0;i--){
temp=*configdata++；
for(j=0;j8;j++){
if((temp0x80)==0
DIN=O；
else
DIN=1：
tem0=temp1；
}
CCLK=I；
CCLK=0；
}
} //主程序……
…… //程序初始化部分
length=FILESIZE； //配置文件長度
INIT=1；
PROGRAM=0； //清空配置存儲器
Delay()； //延時
PROGRAM=1；
while(INIT==0)； //等待存儲器清空
while(1){
ReadFlashData(page_addr，bit_addr，128，databuf)；
//從MM36SB010中讀取128字節(jié)配置文件數(shù)據(jù)
SendConfigData(128，databuf)； //發(fā)送配置文件數(shù)據(jù)至XC2S30
length-=128；
if(1ength128)
break；
}
void ReadFlashData(page_addr，bit_addr，length，databuf)；
SendConfigData(Iength，databu)；
if(DONE==1)…… //配置成功
else…… //配置失敗
結(jié)語
本方案提出了一種基于大容量串行e-Flash的XilinxSpartanlI系列FPGA在線配置的方法。該方案適用于采用MCU的嵌入式系統(tǒng)中，占用MCU的I/O口資源少，且可以實現(xiàn)ROM的共享。MCU程序采用C語言編寫，便于在單片機、ARM等MCU間的移植。經(jīng)過實際測試，配置XC2S30僅需數(shù)秒，可以應用在對設(shè)備開機時間要求不高的場合。本方案已經(jīng)應用在某電力測量設(shè)備中，效果理想，運行可靠。
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