Flash外部配置器件在SOPC中的應(yīng)用

　　1 Flash在SOPC中的作用

　　Flash在SOPC中的作用主要表現(xiàn)在兩方面：一方面，可用Flash來(lái)保存FPGA的配置文件，從而可以省去EPCS芯片或解決EPCS芯片容量不夠的問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)上電后，從Flash中讀取配置文件，對(duì)FPGA進(jìn)行配置。另一方面，可用Flash來(lái)保存用戶(hù)程序。對(duì)于較為復(fù)雜的SOPC系統(tǒng)，用戶(hù)程序一般較大，用EPCS來(lái)存儲(chǔ)是不現(xiàn)實(shí)的。系統(tǒng)完成配置后，將Flash中的用戶(hù)程序轉(zhuǎn)移到外接RAM或片內(nèi)配置生成的RAM中，然后系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。

　　2 Flash編程的實(shí)現(xiàn)

　　本文以某項(xiàng)目的具體電路為例，闡述在SOPC系統(tǒng)中如何利用Flash來(lái)保存用戶(hù)程序。FPGA為Altera公司的Cyclone EP1C6，F(xiàn)lash為AMD公司的AM29LV160D，外接RAM為Samsung公司的K4S643232H，串行配置器件為EPCS1。開(kāi)發(fā)工具采用Altera公司提供的QuartusII和NioslI軟件。

　　NiosII的開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供了Flash Programmer工具，對(duì)目標(biāo)板上遵守CFI(Common Flash Interface)規(guī)范的Flash進(jìn)行編程。CFI是一種Flash接口規(guī)范，只要Flash符合該規(guī)范，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的命令就能獲得其詳細(xì)的參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)訪問(wèn)Flash。利用Altera公司的下載電纜，F(xiàn)lash Programmer工具可以對(duì)Flash器件中的任意偏移地址進(jìn)行任意內(nèi)容的編程。Flash Programmer工具對(duì)Flash編程分為2個(gè)步驟：

　?、俑鶕?jù)目標(biāo)板編程描述對(duì)FPGA進(jìn)行配置；

　　②Flash Programmer工具將要編程到Flash的文件內(nèi)容傳送到FPGA的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后FPGA將收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash中。

　　2.1 目標(biāo)板編程描述的創(chuàng)建

　　目標(biāo)板編程描述實(shí)際就是一個(gè)由SOPC Builder系統(tǒng)生成的最小FPGA設(shè)計(jì)，其作用是對(duì)FPGA進(jìn)行適當(dāng)配置以實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的編程。不同的電路板(目標(biāo)板)往往使用不同的Flash器件，并且Flash與FPGA的引腳連接以及FPGA的型號(hào)也不相同，因此每個(gè)目標(biāo)板編程描述都是與具體的目標(biāo)板相關(guān)聯(lián)的，不能用于其他目標(biāo)板。目標(biāo)板提供了Flash Programmer工具對(duì)Flash進(jìn)行編程的全部信息，包括Flash的容量、Flash的引腳連接等。

　　一個(gè)目標(biāo)板編程描述包含以下信息：每個(gè)接到FPGA上Flash器件的參考元件標(biāo)號(hào)；Flash器件在目標(biāo)板編程描述中的基地址；用于配置FPGA的SOF文件。

　　目標(biāo)板編程描述的創(chuàng)建分2步：

　?、僭贜ios SDK Shell中使用mk_target_board命令創(chuàng)建一個(gè)工程模板；

　　②使用SoPC Builder對(duì)模板進(jìn)行編輯，從而形成完整的目標(biāo)板編程描述。

　　每個(gè)目標(biāo)板編程描述應(yīng)包含下列元件：NiosII CPU；JTAG_UART接口；本目標(biāo)板中采用串行配置器件EPCS存儲(chǔ)FPGA的配置文件，因此需要Active Serial MemoryInterface(ASMI)；Tri-State Bridge(三態(tài)橋)；CFI接口的Flash；System ID Peripheral；用于存放程序以及作為數(shù)據(jù)緩沖的On-chip memory。

　　下面以本目標(biāo)板為例，介紹創(chuàng)建目標(biāo)板編程描述的步驟：

　?、賳?dòng)NiosII SDK shell；

　?、谶\(yùn)行mk_target_board命令，創(chuàng)建一個(gè)目標(biāo)板Flash編程描述模板(參數(shù)name=flash_board，family=cyclone，clock=80，index=1，epcs=U5，buffer_size=2 048，class=flash_programer)；

　　③啟動(dòng)QuartusII軟件并打開(kāi)剛才創(chuàng)建的目標(biāo)板編程描述工程flash_programer.qPf；

　?、茉赒uartusII軟件中選擇Assignments→Device打開(kāi)setting對(duì)話框，選取FPGA型號(hào)，本例為EP1C6Q240C8；

　?、輪?dòng)SOPC Builder，在Target選項(xiàng)區(qū)的Board下拉列表框中選擇Unspecified Board，Clock欄的時(shí)鐘頻率取50 MHz，在模板的基礎(chǔ)上添加三態(tài)橋Avalon Tri-State Bridge和CFI接口的Flash(Flash的參考標(biāo)號(hào)為U5，地址為20位，數(shù)據(jù)為16位)；

　?、捱x擇System Generation選項(xiàng)卡，關(guān)閉Simulation選項(xiàng)，然后單擊Generate按鈕；

　　⑦當(dāng)生成完成后，退出SOPC Builder，并返回到QuartuslI；

　?、嘣赒uartuslI中更新原理圖，然后添加、鏈接并命名引腳；

　?、徇M(jìn)行引腳分配，確保與FPGA各引腳的連接一致；

　　⑩編譯并保存工程。

　　編譯成功后，目標(biāo)板編程描述即成功創(chuàng)建。打開(kāi)SOPC Builder即可在Target選項(xiàng)區(qū)的Board下拉列表框中找到該目標(biāo)板編程描述，本例為flash_board。(該目標(biāo)板編程描述的頂層圖略——編者注)

　　創(chuàng)建好的目標(biāo)板編程描述在任何設(shè)計(jì)的SOPC Builder中都能使用。如果想讓該目標(biāo)板編程描述在其他PC機(jī)上使用，將整個(gè)設(shè)計(jì)文件夾拷貝到NiosII安裝路徑<安裝盤(pán)>＼altera＼kits＼nios2＼components目錄下即可。

　　2.2 使用Flash Programmer工具編程Flash

　　目標(biāo)板編程描述創(chuàng)建后會(huì)在SOPC Builder中的Target選項(xiàng)區(qū)的Board下拉列表框中顯示出來(lái)。本例中所創(chuàng)建的目標(biāo)板編程描述為flash_board。目標(biāo)板編程描述創(chuàng)建后就可以在目標(biāo)板上進(jìn)行用戶(hù)SOPC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)了，并能將用戶(hù)程序編程到Flash存儲(chǔ)器件中。采用EPCS器件存儲(chǔ)配置文件、Flash器件存儲(chǔ)用戶(hù)程序的SOPC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

　　用Flash Programmer工具對(duì)Flash編程的步驟如下：

　?、賱?chuàng)建項(xiàng)目，構(gòu)建SOPC硬件系統(tǒng)。

　?、趩?dòng)NiosII，建立SOPC系統(tǒng)的軟件然后進(jìn)行編譯、鏈接。

　?、墼贜iosII中選中要進(jìn)行編程的工程，然后選擇Tools→Flash Programmer，打開(kāi)Flash Programmer窗口。

　?、茉贛ain選項(xiàng)中，選中Program software project in-to flash memory project，表示要將工程的flash_progra-mer.elf文件寫(xiě)入Flash。對(duì)flash_programer.elf文件的編程，在Flash Programmer窗口中并沒(méi)有存儲(chǔ)器和偏移地址的設(shè)置。存儲(chǔ)器和偏移地址由SOPC Builder中的Reset Address指向的存儲(chǔ)器和設(shè)置的偏移地址決定。如果將Reset Address指向Flash、偏移地址從0x00開(kāi)始，那么Flash Programmer就會(huì)從Flash的“基地址+0x00”開(kāi)始燒寫(xiě)數(shù)據(jù)。如果將Reset Address指向EPCS Controller、偏移地址從0x00開(kāi)始，那么Flash Programmer就會(huì)從EPCS的“基地址+配置數(shù)據(jù)空間+0x00”開(kāi)始燒寫(xiě)數(shù)據(jù)。

　　⑤選擇Target Connection選項(xiàng)卡，在JTAG cable和JTAG device欄中選中當(dāng)前所用的下載電纜和JTAG器件。

　　⑥單擊Apply按鈕，然后單擊Program Flash按鈕，開(kāi)始對(duì)指定的Flash存儲(chǔ)器編程。

　　當(dāng)完成Flash編程后，由于當(dāng)前的EPCS中的配置文件是目標(biāo)板編程描述的配置文件，所以寫(xiě)入Flash的用戶(hù)程序并不會(huì)馬上運(yùn)行。用戶(hù)需要給系統(tǒng)重新上電，使FPGA使用EPCS中的配置文件重新配置FPGA，此時(shí)用戶(hù)程序就能正常運(yùn)行。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　本文針對(duì)SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所面臨的問(wèn)題，提出采用外接Flash存儲(chǔ)器件是最直接、最有效的解決方法。將FPGA的配置文件存入EPCS、用戶(hù)程序存人Flash器件，SOPC系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行配置，然后將Flash中的用戶(hù)程序載入系統(tǒng)RAM，這樣不僅解決了存儲(chǔ)容量的問(wèn)題，也解決了Flash存取速度較慢的問(wèn)題。本文對(duì)外接Flash的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。