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  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。

圖1 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4.7kΩ電阻接高電平,LDC2通過4.7 kΩ電阻接地,LDC1和LDC0通過4.7kΩ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340Ω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。

  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HSWAP接高電平時,LCD1和LCD0分別連至OE#、CE0腳,同時應(yīng)通過4.7kΩ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。

圖2 Generate Linker Script對話框

  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?,F(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。

  在EDK主界面下,用鼠標選擇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

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