Flash外部配置器件在SOPC中的應(yīng)用

作者：沈滿德 張敏張法全 陳良益

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芯片容量不夠的問題。當系統(tǒng)上電后，從Flash中讀取配置文件，對FPGA進行配置。另一方面，可用Flash來保存用戶程序。對于較為復(fù)雜的SOPC系統(tǒng)，用戶程序一般較大，用EPCS來存儲是不現(xiàn)實的。系統(tǒng)完成配置后，將Flash中的用戶程序轉(zhuǎn)移到外接RAM或片內(nèi)配置生成的RAM中，然后系統(tǒng)開始運行。

2 Flash編程的實現(xiàn)

本文以某項目的具體電路為例，闡述在SOPC系統(tǒng)中如何利用Flash來保存用戶程序。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。開發(fā)工具采用Altera公司提供的QuartusII和NioslI軟件。

NiosII的開發(fā)環(huán)境中提供了Flash Programmer工具，對目標板上遵守CFI(Common Flash InteRFace)規(guī)范的Flash進行編程。CFI是一種Flash接口規(guī)范，只要Flash符合該規(guī)范，通過專門的命令就能獲得其詳細的參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)訪問Flash。利用Altera公司的下載電纜，F(xiàn)lash Programmer工具可以對Flash器件中的任意偏移地址進行任意內(nèi)容的編程。Flash Programmer工具對Flash編程分為2個步驟：

①根據(jù)目標板編程描述對FPGA進行配置；

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)寫入Flash中。

2.1 目標板編程描述的創(chuàng)建

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

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

目標板編程描述的創(chuàng)建分2步：

①在Nios SDK Shell中使用mk_target_board命令創(chuàng)建一個工程模板；

②使用SoPC Builder對模板進行編輯，從而形成完整的目標板編程描述。

每個目標板編程描述應(yīng)包含下列元件：NiosII CPU；JTAG_UART接口；本目標板中采用串行配置器件EPCS存儲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。

下面以本目標板為例，介紹創(chuàng)建目標板編程描述的步驟：

①啟動NiosII SDK shell；

②運行mk_target_board命令，創(chuàng)建一個目標板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QuartusII軟件并打開剛才創(chuàng)建的目標板編程描述工程flash_programer.qPf；

④在QuartusII軟件中選擇Assignments→Device打開setting對話框，選取FPGA型號，本例為EP1C6Q240C8；

⑤啟動SOPC Builder，在Target選項區(qū)的Board下拉列表框中選擇Unspecified Board，Clock欄的時鐘頻率取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的參考標號為U5，地址為20位，數(shù)據(jù)為16位)；

⑥選擇System Generation選項卡，關(guān)閉Simulation選項，然后單擊Generate按鈕；

⑦當生成完成后，退出SOPC Builder，并返回到QuartuslI；

⑧在QuartuslI中更新原理圖，然后添加、鏈接并命名引腳；

⑨進行引腳分配，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，目標板編程描述即成功創(chuàng)建。打開SOPC Builder即可在Target選項區(qū)的Board下拉列表框中找到該目標板編程描述，本例為flash_board。(該目標板編程描述的頂層圖略――編者注)

創(chuàng)建好的目標板編程描述在任何設(shè)計的SOPC Builder中都能使用。如果想讓該目標板編程描述在其他PC機上使用，將整個設(shè)計文件夾拷貝到NiosII安裝路徑＼altera＼kits＼nios2＼components目錄下即可。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

2.2 使用Flash Programmer工具編程Flash

目標板編程描述創(chuàng)建后會在SOPC Builder中的Target選項區(qū)的Board下拉列表框中顯示出來。本例中所創(chuàng)建的目標板編程描述為flash_board。目標板編程描述創(chuàng)建后就可以在目標板上進行用戶SOPC系統(tǒng)的開發(fā)了，并能將用戶程序編程到Flash存儲器件中。采用EPCS器件存儲配置文件、Flash器件存儲用戶程序的SOPC系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示。

用Flash Programmer工具對Flash編程的步驟如下：

①創(chuàng)建項目，構(gòu)建SOPC硬件系統(tǒng)。

②啟動NiosII，建立SOPC系統(tǒng)的軟件然后進行編譯、鏈接。

③在NiosII中選中要進行編程的工程，然后選擇Tools→Flash Programmer，打開Flash Programmer窗口。

④在Main選項中，選中Program software project in-to flash memory project，表示要將工程的flash_progra-mer.elf文件寫入Flash。對flash_programer.elf文件的編程，在Flash Programmer窗口中并沒有存儲器和偏移地址的設(shè)置。存儲器和偏移地址由SOPC Builder中的Reset Address指向的存儲器和設(shè)置的偏移地址決定。如果將Reset Address指向Flash、偏移地址從0x00開始，那么Flash Programmer就會從Flash的“基地址+0x00”開始燒寫數(shù)據(jù)。如果將Reset Address指向EPCS Controller、偏移地址從0x00開始，那么Flash Programmer就會從EPCS的“基地址+配置數(shù)據(jù)空間+0x00”開始燒寫數(shù)據(jù)。

⑤選擇Target Connection選項卡，在JTAG cable和JTAG device欄中選中當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，開始對指定的Flash存儲器編程。

當完成Flash編程后，由于當前的EPCS中的配置文件是目標板編程描述的配置文件，所以寫入Flash的用戶程序并不會馬上運行。用戶需要給系統(tǒng)重新上電，使FPGA使用EPCS中的配置文件重新配置FPGA，此時用戶程序就能正常運行。

結(jié) 語

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

審核編輯：湯梓紅