基于SPIFlash實現FPGA的復用配置

SPI(SerialPeripheralInterface，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。

1SPI配置介紹

1．1Spantan-3ESPI配置流程

SPI方式是通過符合SPI接口時序的第三方SPIFlash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SPIFLash中(即復用SPIFlash)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SPIFlash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SPIFlash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SPIFlash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AT45DB161DSPIFlash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。

1．2SPIFlash存儲器的復用

復用SPIFlash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SPIFlash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SPIFlash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SPIFlash嵌入式系統結構圖，用EDK中的opb_sdram連接外部SDRAM，用opb_spi連接SPIFlash(AT45DB161D)，通過Bootloader軟件程序實現從SPIFlash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。

2Bootloader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2270208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17301504位，被組織為4096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()；

3SPIFlash軟件引導過程及SPIFlash編程

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

3．1編譯用戶應用程序的二進制文件

由于應用程序要在外部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用程序的可執行文件的產生路徑，需要在編譯選項中設置。右鍵“應用程序工程”，SetCompilerOptions在OutputELFfile中選擇可執行文件的產生路徑，如XC3S500E＼hello_world＼hello_world．elf，在ProgramStartAddress中鍵入程序執行的起始地址(這里是SDRAM的基地址：0x90000000)。接下來編譯應用程序工程，編譯完成后就會在XC3S500E＼hello_world文件夾中產生hello_world．elf。為了后面對SPIFlash編程的需要，應將elf轉變成二進制形式的文件。這就需要利用cygwinshell窗口命令來完成，這個腳本提供了一個簡單的命令實現這個目的。利用mb-objcopy-Obinaryoptions>ELFfileinput>bi-naryfiletooutput>命令就可以將elf轉變成二進制形式的文件(．b文件)。

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

3．2Bootloader引導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程序時就將它編譯后的執行文件(．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硬件配置信息，又包括了Bootloader程序執行文件。由于設置了初始化到BRAM中，所以在系統上電時才能使Bootloader程序自動加載到片內BRAM中運行，實現程序的引導功能。只要利用EDK用軟件中downloadbitstram功能就可以實現上述功能。

3．3編寫SPIPROM文件

本部分提供為SPIFlash存儲器創建PROM文件的指導原則。在將生成bitstram．bit比特流轉換成SPI格式PROM文件之前，設計人員必須確認該比特流是用bitg-en-gStartupClk：Cclk選項生成的。此選項使啟動順序與Spartan-3E內部時鐘同步，從而確保FPGA功能正常。

①將硬件配置和serial_Flash_bootloader引導程序的bitstrem．bit轉換為MCS格式文件。
②將前面得到的應用程序的二進制文件(hello_world．b)轉換為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SPIFlash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。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、應用程序、spiPartNam和spi_offset參數進行設置，以便XSPI軟件程序能對用戶要求加以識別。如下：
setbitstream=．．／implementation／download．bit
setapplication=hello_world
setspiPartName=AT45DB161D／／SPIFlash器件的名稱
setspi_offset=0x63000／／hello_world的應用程序就會從
／／Flash中0x63000地址向上存放，引導程序也是從這里開始加載
／／到SDRAM中的

接下來就是執行轉換的命令。

第1步：REMStep1．Convertdownload．bittomcsimpactconvert_bits_to_mcs．cmd

此命令將硬件配置和serial_Flash_bootloader引導程序的bitstrem．bit轉換為MCS格式文件。

第2步：REMStep2．Convertbinaryapplicationtomcs

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

完成了應用程序(hello_world)的二進制文件(hello_world．b)轉換為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

這個命令將以上得到了的MCS文件合成一個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SPIFlash芯片編程。此命令使用輪詢擦除SPI內容，然后對SPI器件的內容進行編程和驗證。任何驗證不匹配項都記錄在result．out文件中。默認情況下，XSPI認定數據是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據的MSB字節，而XilinxPROM則首先輸出數據的LSB。與標準XilinxPROM文件相比，SPI格式PROM文件在每字節內有位反轉，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-Phex替換-pmcs選項開關。

結語

本文介紹的是SPIFlash存儲器的復用編程方法的實現。在應用程序不是很大時，可以使用此方法復用SPIFlash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上，可以考慮使用SPI配置模式。