基于SPI Flash實現(xiàn)FPGA的復(fù)用配置

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接口時序的第三方SPI Flash對FPGA進行加載。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方案。

由于本沒計軟件工程規(guī)模較小，所以利用此復(fù)用SPI Flash方式對FPGA進行配置，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)過一個初始化序列清空內(nèi)部FPGA配置存儲器。此序列開始時，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對變量選擇(VS[2：0])引腳采樣，以確定發(fā)出哪個SPI命令序列。當(dāng)初始化之后發(fā)出INIT_B信號時，模式引腳和變量選擇引腳都必須處在正確的邏輯級，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選擇信號置為低，并且開始通過FPGA的CCLK引腳對SPI Flash存儲器進行時鐘控制。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存儲器陣列，直到讀完所需的配置位數(shù)。如果從存儲器件讀取到有效比特流，則發(fā)DONE信號，以指示FPGA配置成功。圖1為SPI配置方式的時序。

圖1 SPI配置時序

　　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自動從SPI Flash中讀取硬件配置bit文件及Bootloader程序進行配置到片內(nèi)BRAM中運行。當(dāng)完成加載后，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯啟動，通過運行的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中運行。但是，Boot-loader在系統(tǒng)上電時會通過FP-GA芯片的配置引腳首先加載到BRAM中運行，這樣就可以實現(xiàn)上電自動加載啟動程序。


　2 Bootloader引導(dǎo)程序的設(shè)計

在工程代碼編寫之前要求對硬件器件有所了解，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)它計算存儲應(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)。除了主存儲器，AT45DB161D還包括2個SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)512／528字節(jié)。在主存儲器正在編程時，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的存儲器陣列分為3個級別的粒度，分別為扇區(qū)、塊與頁。圖4對各個級別進行了分析，詳細說明了每個扇區(qū)與塊的頁數(shù)。所有的編程操作都是針對頁的。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；
／／運行跳轉(zhuǎn)函數(shù)，使其在該函數(shù)地址開始運行程序boot_app_jump()；

　　3 SPI Flash軟件引導(dǎo)過程及SPI Flash編程

本實驗使用簡單的應(yīng)用程序(打印hello_world)，即工程“hello_world”。工程serial_Flash_bootloader就是上面設(shè)計的引導(dǎo)程序。

3．1 編譯用戶應(yīng)用程序的二進制文件

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

為了指明程序的開始地址和應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件的產(chǎn)生路徑，需要在編譯選項中設(shè)置。右鍵“應(yīng)用程序工程”，Set Compiler Options在Output ELF file中選擇可執(zhí)行文件的產(chǎn)生路徑，如XC3S500E＼hello_world＼hello_world．elf，在Program Start Address中鍵入程序執(zhí)行的起始地址(這里是SDRAM的基地址：0x90000000)。接下來編譯應(yīng)用程序工程，編譯完成后就會在XC3S500E＼hello_world文件夾中產(chǎn)生hello_world．elf。為了后面對SPI Flash編程的需要，應(yīng)將elf轉(zhuǎn)變成二進制形式的文件。這就需要利用cygwin shell窗口命令來完成，這個腳本提供了一個簡單的命令實現(xiàn)這個目的。利用mb-objcopy-O binaryoptions>ELF file input>bi-nary file to output>命令就可以將elf轉(zhuǎn)變成二進制形式的文件(．b文件)。

例如：mb-objcopy-O binary ．／hello world／helloworld．elf．／hello_world／hello_world．b用來在工程目錄下hello_world文件夾創(chuàng)建工程的一個hello_world．b的二進制文件。生成的文件hello_world．b大約2 KB左右。

3．2 Bootloader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→BRAM Initialization and unmark a11)。
這樣做的意義是在編譯Bootloader程序時就將它編譯后的執(zhí)行文件(．elf文件)加入到硬件system．bit中生成一個download．bit。這個文件既包含了系統(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)上電時才能使Bootloader程序自動加載到片內(nèi)BRAM中運行，實現(xiàn)程序的引導(dǎo)功能。只要利用EDK用軟件中download bitstram功能就可以實現(xiàn)上述功能。

3．3 編寫SPI PROM文件

本部分提供為SPI Flash存儲器創(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)計人員必須確認該比特流是用bitg-en-g StartupClk：Cclk選項生成的。此選項使啟動順序與Spartan-3E內(nèi)部時鐘同步，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)用程序的二進制文件(hello_world．b)轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。
③將以上得到了2個MCS文件合成1個MCS文件。
④編程SPI Flash芯片。

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

再使用DOS命令完成格式化和編程之前，要對down-load．bit、應(yīng)用程序、spiPartNam和spi_offset參數(shù)進行設(shè)置，以便XSPI軟件程序能對用戶要求加以識別。如下：
set bitstream=．．／implementation／download．bit
set application=hello_world
set spiPartName=AT45DB161D／／SPI Flash器件的名稱
set spi_offset=0x63000／／hello_world的應(yīng)用程序就會從
／／Flash中0x63000地址向上存放，引導(dǎo)程序也是從這里開始加載
／／到SDRAM中的

接下來就是執(zhí)行轉(zhuǎn)換的命令。

第1步：REM Step 1．Convert download．bit to mcsimpact convert_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：REM Step 2．Convert binary application tomcs
xmcsutil-accept_notice-i％application％．b-o％appli-cation％．mcs-29
完成了應(yīng)用程序(hello_world)的二進制文件(hello_world．b)轉(zhuǎn)換為MCS格式文件。
第3步：REM Step 3．combine application mcs withbitstream mcs
xmcsutil-accept_notice-i bitstream．mcs％applica-tion％．mcs-o combined．mcs-16-segaddr 0x00％spi_off-set％-usedataaddr-padff
這個命令將以上得到了的MCS文件合成一個MCS文件。
第4步：REM Step 4．Program the AT45DB161D
xip-accept_notice-skip_syncword_check-mcs-spi_epv-icombined．mcs-o verify．txt-select_cable 1
完成對SPI Flash芯片編程。此命令使用輪詢擦除SPI內(nèi)容，然后對SPI器件的內(nèi)容進行編程和驗證。任何驗證不匹配項都記錄在result．out文件中。默認情況下，XSPI認定數(shù)據(jù)是HEX格式。如果輸入文件是HEX格式，則去除-mcs選項。

Xilinx軟件工具iMPACT從Spartan-3E比特流生成SPI格式PROM文件。SPI存儲器件首先串行輸出數(shù)據(jù)的MSB字節(jié)，而Xilinx PROM則首先輸出數(shù)據(jù)的LSB。與標(biāo)準(zhǔn)Xilinx PROM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，請用-P hex替換-p mcs選項開關(guān)。

　　結(jié) 語

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