基于SPI Flash实现FPGA的复用配置

SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)是一种高速、全双工、同步的通信总线，在芯片的引脚上只占用4根线，不仅节约了芯片的引脚，同时在PCB的布局上还节省空间。正是出于这种简单、易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

　　1 SPI配置介绍

1．1 Spantan-3E SPI配置流程

SPI方式是通过符合SPI接口时序的第三方SPI Flash对FPGA进行加载。它适合作为FPGA硬件结构的bit文件保存介质，如果应用软件工程编译后的代码较小，保存在同一片SPI FLash中(即复用SPI Flash)无疑是可行的最廉价方案。

由于本没计软件工程规模较小，所以利用此复用SPI Flash方式对FPGA进行配置，既保存FPGA配置的bit文件，也保存应用软件工程的bit文件。系统在上电或向PROG_B引脚发出低脉冲后，FPGA芯片经过一个初始化序列清空内部FPGA配置存储器。此序列开始时，DONE和INIT_B引脚均转为低。初始化完成后，INIT_B引脚转为高，并采样芯片的配置模式及变量选择引脚。

SPI模式下，FPGA对变量选择(VS[2：0])引脚采样，以确定发出哪个SPI命令序列。当初始化之后发出INIT_B信号时，模式引脚和变量选择引脚都必须处在正确的逻辑级，以确保正确采样。

在变量选择引脚选择SPI命令集之后，FPGA将CSO_B选择信号置为低，并且开始通过FPGA的CCLK引脚对SPI Flash存储器进行时钟控制。接着发出8位读命令后跟24位起始地址0x000000和目标命令集的适量虚拟字节。FPGA从地址0开始读取SPI Flash存储器阵列，直到读完所需的配置位数。如果从存储器件读取到有效比特流，则发DONE信号，以指示FPGA配置成功。图1为SPI配置方式的时序。

图1 SPI配置时序

图2是AT45DB161D SPI Flash的配置接口。这种配置方式只占用了FPGA芯片的4个引脚，而且配置成功之后，所有SPI引脚都成为可用的用户I／O引脚，这就节省了FPGA的引脚资源。


1．2 SPI Flash存储器的复用

复用SPI Flash是指既用它来保存硬件配置文件、Bootloader引导程序还用来保存用户应用程序。在加载阶段，FPGA自动从SPI Flash中读取硬件配置bit文件及Bootloader程序进行配置到片内BRAM中运行。当完成加载后，FPGA内部逻辑启动，通过运行的Bootloader程序读取SPI Flash中的用户应用程序，并写到外部SDRAM的相应位置，最后Bootloader程序切换指令指针到SDRAM指定位置，在外部的SDRAM中开始执行应用程序。

图3给出了本系统中复用SPI Flash嵌入式系统结构图，用EDK中的opb_sdram连接外部SDRAM，用opb_spi连接SPI Flash(AT45DB161D)，通过Bootloader软件程序实现从SPI Flash中复制用户应用程序到SDRAM中，然后在SDRAM中运行。但是，Boot-loader在系统上电时会通过FP-GA芯片的配置引脚首先加载到BRAM中运行，这样就可以实现上电自动加载启动程序。


　2 Bootloader引导程序的设计

在工程代码编写之前要求对硬件器件有所了解，主要需要了解FPGA所需要的配置文件空间，还有Flash存储结构。例如：XC3S500E配置文件空间为2 270 208位，所以要根据它计算存储应用程序的基地址。AT45DB161D是串行接口的闪存芯片，它包含有17 301 504位，被组织为4 096页，每页512／528字节。除了主存储器，AT45DB161D还包括2个SRAM数据缓冲区，每个缓冲区512／528字节。在主存储器正在编程时，缓冲区是允许接收数据的，并且支持数据流式写入。(此处为528字节／页)

AT45DB161D的存储器阵列分为3个级别的粒度，分别为扇区、块与页。图4对各个级别进行了分析，详细说明了每个扇区与块的页数。所有的编程操作都是针对页的。擦除操作可以作用于芯片、扇区、块或页。

最后利用定义的空函数int(*boot_app_jump) (void)；”将地址指针指向内存的应用程序基地址，使其从此处开始运行程序。

／／将目的地址赋给跳转函数
boot_app_jump=(int(*)(void))DESTINATION_AD-DR；
／／运行跳转函数，使其在该函数地址开始运行程序boot_app_jump()；

　　3 SPI Flash软件引导过程及SPI Flash编程

本实验使用简单的应用程序(打印hello_world)，即工程“hello_world”。工程serial_Flash_bootloader就是上面设计的引导程序。

3．1 编译用户应用程序的二进制文件

由于应用程序要在外部SDRAM中运行，所以不需要初始化BRAM存储器，如图5所示。

为了指明程序的开始地址和应用程序的可执行文件的产生路径，需要在编译选项中设置。右键“应用程序工程”，Set Compiler Options在Output ELF file中选择可执行文件的产生路径，如XC3S500E＼hello_world＼hello_world．elf，在Program Start Address中键入程序执行的起始地址(这里是SDRAM的基地址：0x90000000)。接下来编译应用程序工程，编译完成后就会在XC3S500E＼hello_world文件夹中产生hello_world．elf。为了后面对SPI Flash编程的需要，应将elf转变成二进制形式的文件。这就需要利用cygwin shell窗口命令来完成，这个脚本提供了一个简单的命令实现这个目的。利用mb-objcopy-O binaryoptions>ELF file input>bi-nary file to output>命令就可以将elf转变成二进制形式的文件(．b文件)。

例如：mb-objcopy-O binary ．／hello world／helloworld．elf．／hello_world／hello_world．b用来在工程目录下hello_world文件夹创建工程的一个hello_world．b的二进制文件。生成的文件hello_world．b大约2 KB左右。

3．2 Bootloader引导程序与硬件配置文件的生成

serial_Flash_bootloader要初始化到BRAM中(即在“工程”上右键→BRAM Initialization and unmark a11)。
这样做的意义是在编译Bootloader程序时就将它编译后的执行文件(．elf文件)加入到硬件system．bit中生成一个download．bit。这个文件既包含了系统硬件配置信息，又包括了Bootloader程序执行文件。由于设置了初始化到BRAM中，所以在系统上电时才能使Bootloader程序自动加载到片内BRAM中运行，实现程序的引导功能。只要利用EDK用软件中download bitstram功能就可以实现上述功能。

3．3 编写SPI PROM文件

本部分提供为SPI Flash存储器创建PROM文件的指导原则。在将生成bitstram．bit比特流转换成SPI格式PROM文件之前，设计人员必须确认该比特流是用bitg-en-g StartupClk：Cclk选项生成的。此选项使启动顺序与Spartan-3E内部时钟同步，从而确保FPGA功能正常。

①将硬件配置和serial_Flash_bootloader引导程序的bitstrem．bit转换为MCS格式文件。
②将前面得到的应用程序的二进制文件(hello_world．b)转换为MCS格式文件。
③将以上得到了2个MCS文件合成1个MCS文件。
④编程SPI Flash芯片。

以上过程，除了③以外，Xilinx公司的iMPACT编程软件都可以实现。③要由DOS命令完成。所以下面都是以DOS命令来完成编程的全过程。

再使用DOS命令完成格式化和编程之前，要对down-load．bit、应用程序、spiPartNam和spi_offset参数进行设置，以便XSPI软件程序能对用户要求加以识别。如下：
set bitstream=．．／implementation／download．bit
set application=hello_world
set spiPartName=AT45DB161D／／SPI Flash器件的名称
set spi_offset=0x63000／／hello_world的应用程序就会从
／／Flash中0x63000地址向上存放，引导程序也是从这里开始加载
／／到SDRAM中的

接下来就是执行转换的命令。

第1步：REM Step 1．Convert download．bit to mcsimpact convert_bits_to_mcs．cmd
此命令将硬件配置和serial_Flash_bootloader引导程序的bitstrem．bit转换为MCS格式文件。
第2步：REM Step 2．Convert binary application tomcs
xmcsutil-accept_notice-i％application％．b-o％appli-cation％．mcs-29
完成了应用程序(hello_world)的二进制文件(hello_world．b)转换为MCS格式文件。
第3步：REM Step 3．combine application mcs withbitstream mcs
xmcsutil-accept_notice-i bitstream．mcs％applica-tion％．mcs-o combined．mcs-16-segaddr 0x00％spi_off-set％-usedataaddr-padff
这个命令将以上得到了的MCS文件合成一个MCS文件。
第4步：REM Step 4．Program the AT45DB161D
xip-accept_notice-skip_syncword_check-mcs-spi_epv-icombined．mcs-o verify．txt-select_cable 1
完成对SPI Flash芯片编程。此命令使用轮询擦除SPI内容，然后对SPI器件的内容进行编程和验证。任何验证不匹配项都记录在result．out文件中。默认情况下，XSPI认定数据是HEX格式。如果输入文件是HEX格式，则去除-mcs选项。

Xilinx软件工具iMPACT从Spartan-3E比特流生成SPI格式PROM文件。SPI存储器件首先串行输出数据的MSB字节，而Xilinx PROM则首先输出数据的LSB。与标准Xilinx PROM文件相比，SPI格式PROM文件在每字节内有位反转，因此，需要在PROMgen中使用-spi选项才能正确格式化。XSPI支持．hex和．mcs两种SPIPROM文件格式。以下所示为生成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，请用-P hex替换-p mcs选项开关。