摘要 討論Intel STrataFlash 3V Memory系列的JS28F128J3D75并行NOR flash在基于Xilinx MicroBlaze的SOPC開發(fā)中的4種不同用途。J3D Flash可以用于存儲FPGA配置比特流、可引導(dǎo)的軟處理器代碼、可直接執(zhí)行的軟處理器代碼，以及非易失的數(shù)據(jù)或參數(shù)。本文給出了這4種用途的應(yīng)用方法與技巧，指出了應(yīng)該特別注意的技術(shù)細節(jié)，這些方法與技巧可以直接應(yīng)用到SOPC項目開發(fā)中。

引言

隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新概念的嵌入式系統(tǒng)，即SOPC（System On Programmable Chip）。SOPC技術(shù)融合了SoC和FPGA的優(yōu)點，將處理器、片上總線、片上存儲器、內(nèi)部外設(shè)、I/O接口以及自定義邏輯集成在同一片F(xiàn)PGA中，而且軟硬件可裁剪、可升級、可修改，具有軟硬件在系統(tǒng)編程能力，在保證高性能的同時具有非常高的靈活性。由于大部分功能部件在FPGA內(nèi)實現(xiàn)，外部只需要很少的器件，如大容量的RAM、Flash、DAC、ADC等。在系統(tǒng)需要脫離計算機獨立運行時（絕大部分情況如此），非易失的存儲器件Flash是必不可少的。Flash可以用來存儲配置比特流、代碼、數(shù)據(jù)或參數(shù)等重要信息。本文以Intel StrataFlash 3V Memory系列的JS28F128J3D75并行NOR Flash（簡稱“J3D”）和Xilinx FPGA Spartan3E系列的XC3S1600E（簡稱“1600E”）為背景，在結(jié)合項目開發(fā)經(jīng)驗和參閱相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，介紹了并行NOR Flash在SOPC開發(fā)中的4種不同應(yīng)用。

1  存儲FPGA配置比特流

1600E工作在BPI（Bytewide Peripheral Interface）配置模式時，通過專門的引腳與J3D連接，這些引腳在配置完成后可以作為用戶I/O使用。連接時，大部分引腳參考1600E的數(shù)據(jù)手冊直接連接即可，但有些引腳需要特別注意。J3D有×8（數(shù)據(jù)總線寬度為8位）和×16（數(shù)據(jù)總線寬度為16位）兩種工作模式。配置時應(yīng)工作在×8模式，配置完成后，根據(jù)需要可以設(shè)置為×8或×16模式。圖1為1600E與J3D引腳連接示意圖。

若配置后需要切換至×16模式，則需綜合考慮1600E的HSWAP腳。HSWAP接高電平時，1600E所有用戶I/O的內(nèi)部上拉電阻禁用，HDC通過4.7 kΩ電阻接高電平，LDC2通過4.7 kΩ電阻接地，LDC1和LDC0通過4.7 kΩ電阻接高電平，同時這3個信號應(yīng)分別連到J3D的BYTE#、OE#、CE0腳。這樣上電后的瞬間，J3D工作在×8模式，且因CE0腳被拉高而處于非選中狀態(tài)，不會導(dǎo)致對J3D的誤操作；然后在1600E的控制下進入配置狀態(tài)，配置結(jié)束可通過控制LDC2輸出高電平而將J3D切換為×16模式。HSWAP接低電平時，1600E所有用戶I/O的內(nèi)部上拉電阻使能，LDC1、LDC0和HDC無需外接上拉電阻；而LDC2應(yīng)接340 Ω的下拉電阻，以使上電后J3D工作在×8模式，從而順利進入配置狀態(tài)，配置結(jié)束后可將J3D切換為×16模式。

圖1  1600E與J3D引腳連接示意圖

若配置后工作在×8模式，則J3D的BYTE#腳接低電平，1600E的LDC2懸空。當(dāng)HSWAP接高電平時，LCD1和LCD0分別連至OE#、CE0腳，同時應(yīng)通過4.7 kΩ電阻上拉；HSWAP接低電平時，LCD1和LCD0不用上拉。

配置比特流文件首先通過iMPCT轉(zhuǎn)換成MCS文件，再通過PicoBlaze NOR Flash Programmer（http://www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/files/s3esk_picoblaze_nor_flash_programmer.zip）下載到J3D中。

J3D可以同時配置多塊FPGA,也可對同一塊FPGA進行多比特流配置。例如先配置一個診斷測試比特流，測試成功后，再重新配置應(yīng)用比特流。

2  存儲可引導(dǎo)的軟處理器代碼

首先利用Xilinx嵌入式開發(fā)工具箱EDK創(chuàng)建一個嵌入式工程，包括MicroBlaze硬件平臺和相應(yīng)的軟件工程。在EDK界面下，用鼠標(biāo)選中創(chuàng)建的軟件工程，右擊并在彈出的菜單中選擇Generate Linker Script...項，進入Generate Linker Script對話框。將Sections、Heap和Stack指定到BRAM或外部RAM（一般將Heap和Stack指定到BRAM，代碼和數(shù)據(jù)段指定到外部RAM），并指定輸出腳本文件名及路徑，如圖2所示。

雙擊相應(yīng)軟件工程下的Compiler Options選項，進入Set Compiler Options對話框，設(shè)定Link Script項為剛才產(chǎn)生的腳本文件，并指定Output ELF File項的路徑與名稱。現(xiàn)在可以編譯相應(yīng)的軟件工程，產(chǎn)生相應(yīng)的可執(zhí)行ELF文件，設(shè)為Bootable.elf。

圖2  Generate Linker Script對話框

在EDK主界面下，用鼠標(biāo)選擇Device Configuration → Program Flash Memory,進入Program Flash Memory對話框，并按圖3進行設(shè)置。單擊OK按鈕，會把Bootable.elf文件自動轉(zhuǎn)為SREC格式，并下載到J3D的指定地址處，同時產(chǎn)生名為bootloadr_0的軟件工程。bootloadr_0工程編譯后產(chǎn)生的可執(zhí)行文件executable.elf用來執(zhí)行引導(dǎo)裝載功能，應(yīng)將其合并到系統(tǒng)比特流system.bit，從而生成dowload.bit。dowload.bit經(jīng)iMPCT轉(zhuǎn)為MCS文件后下載到配置PROM中（若使用同一片J3D，注意不能與Bootable.elf發(fā)生地址空間沖突）。這樣，系統(tǒng)上電后，首先對FPGA進行配置，然后引導(dǎo)加載J3D中的代碼至相應(yīng)的BRAM或SDRAM中（具體映射位置已在Generate Linker Script對話框中設(shè)定）。

圖3  Program Flash Memory對話框

3  存儲可直接執(zhí)行的軟處理器代碼

這里仍然使用上面創(chuàng)建的EDK工程，由于J3D具有類似SRAM的接口，上電后可以直接像SRAM一樣進行讀操作，但卻不能直接進行寫操作。因此，應(yīng)將只讀段.code、.rodata、.sdata2、.sbss2指定到J3D中，其余段指定到BRAM中，這可以在Generate Linker Script對話框中完成。重新編譯后生成新的Bootable.elf文件。此時，Bootable.elf仍是一個整體，需要將其在物理上分為2個文件： 一個存放只讀段，另一個存放其余段。具體可以通過下面的操作實現(xiàn)。

　?、?創(chuàng)建存儲在BRAM中的鏡像volatile.elf。在XPS中，選擇Project → Launch EDK Shell，并執(zhí)行下列命令:

　　＄ mbobjcopy

　　--set-section-flags .text=alloc,readonly,code

　　--set-section-flags .init=alloc,readonly,code

　　--set-section-flags .fini=alloc,readonly,code

　　--set-section-flags .rodata=alloc

　　--set-section-flags .sdata2=contents

　　--set-section-flags .sbss2=contents

　　./TestApp_Memory/Bootable.elf

　　./TestApp_Memory/volatile.elf

　　② 創(chuàng)建存儲在Flash中的鏡像J3D.bin。在XPS中，選擇Project → Launch EDK Shell，并執(zhí)行下列命令:

　　＄ mbobjcopy O binary

　　-j .text

　　-j .init

　　-j .fini

　　-j .rodata

　　-j .sdata2

　　-j .sbss2

　　./TestApp_Memory/Bootable.elf

　　./TestApp_Memory/J3D.bin

將volatile.elf合并到系統(tǒng)配置比特流system.bit，生成dowload.bit，再經(jīng)iMPCT轉(zhuǎn)為MCS格式后下載到配置PROM中。再將J3D.bin通過Program Flash Memory對話框下載到J3D中。這樣系統(tǒng)上電并完成配置后，J3D中的代碼無需引導(dǎo)便可以直接執(zhí)行。

4  存儲非易失數(shù)據(jù)或參數(shù)

有時候系統(tǒng)需要存儲非易失的數(shù)據(jù)或參數(shù)，這就需要通過編寫程序直接對J3D進行讀/寫操作。當(dāng)然，前提是先要在EDK中為J3D添加一個XPS MCH EMC接口。這個接口對并行NOR Flash和SRAM來說都是適用的，如果用于SRAM則可以直接讀/寫，不需要驅(qū)動，而用于并行Flash則需要自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。下面為自行編寫的一個執(zhí)行塊擦除、單字寫、單字讀操作的程序。需要注意的是： 寫操作前一定要先進行擦除操作，寫命令或?qū)憯?shù)據(jù)之后一定要對狀態(tài)寄存器進行判斷是否完成相應(yīng)操作；讀操作則很簡單，像SRAM的讀/寫一樣。

　　Xuint16 data=0xF0F0;

　　Xuint16 Status，ReadData;

　　/*塊擦除程序*/

　　XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0x2020 );//指定地址塊的擦除設(shè)置

　　XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0xD0D0 );//指定地址塊的擦除確認

　　do{

　　Status = XIo_In16(XPAR_GENERIC_EXTERNAL_MEMORY_MEM0_BASEADDR);

　　}while ((Status & 0x0080) != 0x0080);//讀狀態(tài)寄存器直至塊擦除完成

　　/*單字寫程序*/

　　XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0x4040 );//指定地址處單字寫操作設(shè)置

　　XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,data );//向指定地址處寫入一個字長的數(shù)據(jù)

　　do{

　　Status = XIo_In16(XPAR_GENERIC_EXTERNAL_MEMORY_MEM0_BASEADDR);

　　}while ((Status & 0x0080) != 0x0080);//讀狀態(tài)寄存器直至寫操作完成

　　/*單字讀程序*/

　　ReadData=XIo_In16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR );//讀相應(yīng)地址處的數(shù)據(jù)

還有一種情況是在系統(tǒng)運行前就把數(shù)據(jù)寫入Flash中。首先，把數(shù)據(jù)寫入一個二進制文件中。注意，MicroBlaze的存儲格式是BigEndian（即高字節(jié)數(shù)據(jù)保存在低地址，低字節(jié)數(shù)據(jù)保存在高地址），PC機的存儲格式則是LittleEndian（即高字節(jié)數(shù)據(jù)保存在高地址，低字節(jié)數(shù)據(jù)保存在低地址），因此如果是用VC++產(chǎn)生的二進制文件，一定要進行高、低字節(jié)交換。在Matlab中生成數(shù)據(jù)文件則可以在相應(yīng)的文件操作函數(shù)中添加參數(shù)’b’（表示以BigEndian格式存儲），如FileID=fopen(’data.bin’,’w+’,’b’)。產(chǎn)生的二進制文件可以通過Program Flash Memory對話框下載到J3D中，注意不要選中Auto?convert file to SREC format when programming flash和Create Flash Bootloader Application選項。

結(jié)語

本文討論了在以Xilinx Spartan XC3S1600E為基礎(chǔ)的SOPC設(shè)計中，Intel J3D并行NOR Flash的4種不同用途及其使用方法與技巧，尤其對一些技術(shù)關(guān)鍵問題予以詳細的闡述，其中融入了筆者在項目開發(fā)中的實際經(jīng)驗，具有較高的參考價值。J3D既可以用于存儲FPGA配置比特流，又可以存儲軟處理器程序代碼，也可以存儲非易失的數(shù)據(jù)和參數(shù)，甚至三者可以并存于同一片J3D中。本文只是以Intel J3D并行NOR Flash為例討論其在SOPC開發(fā)中的用法，這些方法同樣適用于其他廠家具有CFI（Common Flash Interface）接口的并行NOR Flash。靈活地綜合運用這些方法，對于SOPC開發(fā)具有重要意義。