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(diǎn)，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(shí)具有非常高的靈活性。由于大部分功能部件在FPGA內(nèi)實(shí)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(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)（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(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和參閱相關(guān)文獻(xiàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)這3個(gè)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(jìn)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(shí)，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(jìn)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(dāng)HSWAP接高電平時(shí)，LCD1和LCD0分別連至OE#、CE0腳，同時(shí)應(yīng)通過4.7kΩ電阻上拉；HSWAP接低電平時(shí)，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(shí)配置多塊FPGA,也可對同一塊FPGA進(jìn)行多比特流配置。例如先配置一個(gè)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(gè)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(xiàng)，進(jìn)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(xiàng)，進(jìn)入Set Compiler Options對話框，設(shè)定Link Script項(xiàng)為剛才產(chǎn)生的腳本文件，并指定Output ELF File項(xiàng)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。
在EDK主界面下，用鼠標(biāo)選擇Device Configuration → Program Flash Memory,進(jìn)入Program Flash Memory對話框，并按圖3進(jìn)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(shí)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(jìn)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