并行NOR Flash在SOPC开发中的应用

摘要 讨论Intel StrataFlash 3V Memory系列的JS28F128J3D75并行NOR Flash在基于Xilinx MicroBlaze的SOPC开发中的4种不同用途。J3D Flash可以用于存储FPGA配置比特流、可引导的软处理器代码、可直接执行的软处理器代码，以及非易失的数据或参数。本文给出了这4种用途的应用方法与技巧，指出了应该特别注意的技术细节，这些方法与技巧可以直接应用到SOPC项目开发中。

关键词  StrataFlash并行NOR FlashSOPCMicroBlazeJS28F128J3D

引言

1  存储FPGA配置比特流

　　1600E工作在BPI（Bytewide Peripheral Interface）配置模式时，通过专门的引脚与J3D连接，这些引脚在配置完成后可以作为用户I/O使用。连接时，大部分引脚参考1600E的数据手册直接连接即可，但有些引脚需要特别注意。J3D有×8（数据总线宽度为8位）和×16（数据总线宽度为16位）两种工作模式。配置时应工作在×8模式，配置完成后，根据需要可以设置为×8或×16模式。图1为1600E与J3D引脚连接示意图。

　　若配置后需要切换至×16模式，则需综合考虑1600E的HSWAP脚。HSWAP接高电平时，1600E所有用户I/O的内部上拉电阻禁用，HDC通过4.7 kΩ电阻接高电平，LDC2通过4.7 kΩ电阻接地，LDC1和LDC0通过4.7 kΩ电阻接高电平，同时这3个信号应分别连到J3D的BYTE#、OE#、CE0脚。这样上电后的瞬间，J3D工作在×8模式，且因CE0脚被拉高而处于非选中状态，不会导致对J3D的误 *** 作；然后在1600E的控制下进入配置状态，配置结束可通过控制LDC2输出高电平而将J3D切换为×16模式。HSWAP接低电平时，1600E所有用户I/O的内部上拉电阻使能，LDC1、LDC0和HDC无需外接上拉电阻；而LDC2应接340 Ω的下拉电阻，以使上电后J3D工作在×8模式，从而顺利进入配置状态，配置结束后可将J3D切换为×16模式。

图1  1600E与J3D引脚连接示意图

　　若配置后工作在×8模式，则J3D的BYTE#脚接低电平，1600E的LDC2悬空。当HSWAP接高电平时，LCD1和LCD0分别连至OE#、CE0脚，同时应通过4.7 kΩ电阻上拉；HSWAP接低电平时，LCD1和LCD0不用上拉。

配置比特流文件首先通过iMPCT转换成MCS文件，再通过PicoBlaze NOR Flash Programmer（http://www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/files/

s3esk_picoblaze_nor_flash_programmer.zip）下载到J3D中。

　　J3D可以同时配置多块FPGA,也可对同一块FPGA进行多比特流配置。例如先配置一个诊断测试比特流，测试成功后，再重新配置应用比特流。

2  存储可引导的软处理器代码

　　首先利用Xilinx嵌入式开发工具箱EDK创建一个嵌入式工程，包括MicroBlaze硬件平台和相应的软件工程。在EDK界面下，用鼠标选中创建的软件工程，右击并在d出的菜单中选择Generate Linker Script...项，进入Generate Linker Script对话框。将SecTIons、Heap和Stack指定到BRAM或外部RAM（一般将Heap和Stack指定到BRAM，代码和数据段指定到外部RAM），并指定输出脚本文件名及路径，如图2所示。

　　双击相应软件工程下的Compiler OpTIons选项，进入Set Compiler OpTIons对话框，设定Link Script项为刚才产生的脚本文件，并指定Output ELF File项的路径与名称。现在可以编译相应的软件工程，产生相应的可执行ELF文件，设为Bootable.elf。

图2  Generate Linker Script对话框

　　在EDK主界面下，用鼠标选择Device ConfiguraTIon → Program Flash Memory,进入Program Flash Memory对话框，并按图3进行设置。单击OK按钮，会把Bootable.elf文件自动转为SREC格式，并下载到J3D的指定地址处，同时产生名为bootloadr_0的软件工程。bootloadr_0工程编译后产生的可执行文件executable.elf用来执行引导装载功能，应将其合并到系统比特流system.bit，从而生成dowload.bit。dowload.bit经iMPCT转为MCS文件后下载到配置PROM中（若使用同一片J3D，注意不能与Bootable.elf发生地址空间冲突）。这样，系统上电后，首先对FPGA进行配置，然后引导加载J3D中的代码至相应的BRAM或SDRAM中（具体映射位置已在Generate Linker Script对话框中设定）。

图3  Program Flash Memory对话框

3  存储可直接执行的软处理器代码

　　这里仍然使用上面创建的EDK工程，由于J3D具有类似SRAM的接口，上电后可以直接像SRAM一样进行读 *** 作，但却不能直接进行写 *** 作。因此，应将只读段.code、.rodata、.sdata2、.sbss2指定到J3D中，其余段指定到BRAM中，这可以在Generate Linker Script对话框中完成。重新编译后生成新的Bootable.elf文件。此时，Bootable.elf仍是一个整体，需要将其在物理上分为2个文件： 一个存放只读段，另一个存放其余段。具体可以通过下面的 *** 作实现。

　　① 创建存储在BRAM中的镜像volatile.elf。在XPS中，选择Project → Launch EDK Shell，并执行下列命令:

＄ 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 创建存储在Flash中的镜像J3D.bin。在XPS中，选择Project → Launch EDK Shell，并执行下列命令:

＄ mbobjcopy O binary 
-j .text \
-j .init \
-j .fini \
-j .rodata \
-j .sdata2 \
-j .sbss2 \
./TestApp_Memory/Bootable.elf \
./TestApp_Memory/J3D.bin

　　将volatile.elf合并到系统配置比特流system.bit，生成dowload.bit，再经iMPCT转为MCS格式后下载到配置PROM中。再将J3D.bin通过Program Flash Memory对话框下载到J3D中。这样系统上电并完成配置后，J3D中的代码无需引导便可以直接执行。

4  存储非易失数据或参数

　　有时候系统需要存储非易失的数据或参数，这就需要通过编写程序直接对J3D进行读/写 *** 作。当然，前提是先要在EDK中为J3D添加一个XPS MCH EMC接口。这个接口对并行NOR Flash和SRAM来说都是适用的，如果用于SRAM则可以直接读/写，不需要驱动，而用于并行Flash则需要自己编写相应的驱动程序。下面为自行编写的一个执行块擦除、单字写、单字读 *** 作的程序。需要注意的是： 写 *** 作前一定要先进行擦除 *** 作，写命令或写数据之后一定要对状态寄存器进行判断是否完成相应 *** 作；读 *** 作则很简单，像SRAM的读/写一样。

Xuint16 data=0xF0F0;
Xuint16 Status，ReadData;
/*块擦除程序*/
XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0x2020 );//指定地址块的擦除设置
XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0xD0D0 );//指定地址块的擦除确认
do{
　　Status = XIo_In16(XPAR_GENERIC_EXTERNAL_MEMORY_MEM0_BASEADDR);
}while ((Status & 0x0080) != 0x0080);//读状态寄存器直至块擦除完成
/*单字写程序*/
XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,0x4040 );//指定地址处单字写 *** 作设置
XIo_Out16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR,data );//向指定地址处写入一个字长的数据
do{
　　Status = XIo_In16(XPAR_GENERIC_EXTERNAL_MEMORY_MEM0_BASEADDR);
}while ((Status & 0x0080) != 0x0080);//读状态寄存器直至写 *** 作完成
/*单字读程序*/
ReadData=XIo_In16(XPAR_FLASH_16MX8_MEM0_BASEADDR );//读相应地址处的数据

　　还有一种情况是在系统运行前就把数据写入Flash中。首先，把数据写入一个二进制文件中。注意，MicroBlaze的存储格式是BigEndian（即高字节数据保存在低地址，低字节数据保存在高地址），PC机的存储格式则是LittleEndian（即高字节数据保存在高地址，低字节数据保存在低地址），因此如果是用VC++产生的二进制文件，一定要进行高、低字节交换。在Matlab中生成数据文件则可以在相应的文件 *** 作函数中添加参数'b'（表示以BigEndian格式存储），如FileID=fopen('data.bin','w+','b')。产生的二进制文件可以通过Program Flash Memory对话框下载到J3D中，注意不要选中Auto?convert file to SREC format when programming flash和Create Flash Bootloader Application选项。

结语

　　本文讨论了在以Xilinx Spartan XC3S1600E为基础的SOPC设计中，Intel J3D并行NOR Flash的4种不同用途及其使用方法与技巧，尤其对一些技术关键问题予以详细的阐述，其中融入了笔者在项目开发中的实际经验，具有较高的参考价值。J3D既可以用于存储FPGA配置比特流，又可以存储软处理器程序代码，也可以存储非易失的数据和参数，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为例讨论其在SOPC开发中的用法，这些方法同样适用于其他厂家具有CFI（Common Flash Interface）接口的并行NOR Flash。灵活地综合运用这些方法，对于SOPC开发具有重要意义。