FPGA中SPI復用配置的編程方法

SPI(Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口)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，不僅節約了芯片的引腳，同時在PCB的布局上還節省空間。正是出于這種簡單、易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議。

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硬件結構的bit文件保存介質，如果應用軟件工程編譯后的代碼較小，保存在同一片SPI FLash中(即復用SPI Flash)無疑是可行的最廉價方案。
由于本沒計軟件工程規模較小，所以利用此復用SPI Flash方式對FPGA進行配置，既保存FPGA配置的bit文件，也保存應用軟件工程的bit文件。系統在上電或向PROG_B引腳發出低脈沖后，FPGA芯片經過一個初始化序列清空內部FPGA配置存儲器。此序列開始時，DONE和INIT_B引腳均轉為低。初始化完成后，INIT_B引腳轉為高，并采樣芯片的配置模式及變量選擇引腳。
SPI模式下，FPGA對變量選擇(VS[2：0])引腳采樣，以確定發出哪個SPI命令序列。當初始化之后發出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，FPGA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。接著發出8位讀命令后跟24位起始地址0x000000和目標命令集的適量虛擬字節。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。如果從存儲器件讀取到有效比特流，則發DONE信號，以指示FPGA配置成功。圖1為SPI配置方式的時序。

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，這就節省了FPGA的引腳資源。

1．2 SPI Flash存儲器的復用
復用SPI Flash是指既用它來保存硬件配置文件、Bootloader引導程序還用來保存用戶應用程序。在加載階段，FPGA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BRAM中運行。當完成加載后，FPGA內部邏輯啟動，通過運行的Bootloader程序讀取SPI Flash中的用戶應用程序，并寫到外部SDRAM的相應位置，最后Bootloader程序切換指令指針到SDRAM指定位置，在外部的SDRAM中開始執行應用程序。
圖3給出了本系統中復用SPI Flash嵌入式系統結構圖，用EDK中的opb_sdram連接外部SDRAM，用opb_spi連接SPI Flash(AT45DB161D)，通過Bootloader軟件程序實現從SPI Flash中復制用戶應用程序到SDRAM中，然后在SDRAM中運行。但是，Boot-loader在系統上電時會通過FP-GA芯片的配置引腳首先加載到BRAM中運行，這樣就可以實現上電自動加載啟動程序。

2 Bootloader引導程序的設計
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存儲結構。例如：XC3S500E配置文件空間為2 270 208位，所以要根據它計算存儲應用程序的基地址。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。除了主存儲器，AT45DB161D還包括2個SRAM數據緩沖區，每個緩沖區512／528字節。在主存儲器正在編程時，緩沖區是允許接收數據的，并且支持數據流式寫入。(此處為528字節／頁)
AT45DB161D的存儲器陣列分為3個級別的粒度，分別為扇區、塊與頁。圖4對各個級別進行了分析，詳細說明了每個扇區與塊的頁數。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、塊或頁。
最后利用定義的空函數int(*boot_app_jump) (void)；”將地址指針指向內存的應用程序基地址，使其從此處開始運行程序。
／／將目的地址賦給跳轉函數
boot_app_jump=(int(*)(void))DESTINATION_AD-DR；
／／運行跳轉函數，使其在該函數地址開始運行程序boot_app_jump()；