Flash外部配置器件在SOPC中的应用

1 Flash在SOPC中的作用
　　Flash在SOPC中的作用主要表现在两方面：一方面，可用Flash来保存FPGA的配置文件，从而可以省去EPCS芯片或解决EPCS芯片容量不够的问题。当系统上电后，从Flash中读取配置文件，对FPGA进行配置。另一方面，可用Flash来保存用户程序。对于较为复杂的SOPC系统，用户程序一般较大，用EPCS来存储是不现实的。系统完成配置后，将Flash中的用户程序转移到外接RAM或片内配置生成的RAM中，然后系统开始运行。
　 　2 Flash编程的实现
　　本文以某项目的具体电路为例，阐述在SOPC系统中如何利用Flash来保存用户程序。FPGA为Altera公司的 Cyclone EP1C6，Flash为AMD公司的AM29LV160D，外接RAM为Samsung公司的K4S643232H，串行配置器件为EPCS1。开发工具采用Altera公司提供的QuartusII和NioslI软件。
　　NiosII的开发环境中提供了Flash Programmer工具，对目标板上遵守CFI(Common Flash Interface)规范的Flash进行编程。CFI是一种Flash接口规范，只要Flash符合该规范，通过专门的命令就能获得其详细的参数，并根据这些参数访问Flash。利用Altera公司的下载电缆，Flash Programmer工具可以对Flash器件中的任意偏移地址进行任意内容的编程。Flash Programmer工具对Flash编程分为2个步骤：
　　①根据目标板编程描述对FPGA进行配置；
　　②Flash Programmer工具将要编程到Flash的文件内容传送到FPGA的数据缓冲区，然后FPGA将收到的数据写入Flash中。
　　 2.1 目标板编程描述的创建
　　目标板编程描述实际就是一个由SOPC Builder系统生成的最小FPGA设计，其作用是对FPGA进行适当配置以实现对Flash的编程。不同的电路板(目标板)往往使用不同的Flash 器件，并且Flash与FPGA的引脚连接以及FPGA的型号也不相同，因此每个目标板编程描述都是与具体的目标板相关联的，不能用于其他目标板。目标板提供了Flash Programmer工具对Flash进行编程的全部信息，包括Flash的容量、Flash的引脚连接等。
　　一个目标板编程描述包含以下信息：每个接到FPGA上Flash器件的参考元件标号；Flash器件在目标板编程描述中的基地址；用于配置FPGA的SOF文件。
　　目标板编程描述的创建分2步：
　　①在Nios SDK Shell中使用mk_target_board命令创建一个工程模板；
　　②使用SoPC Builder对模板进行编辑，从而形成完整的目标板编程描述。
　　每个目标板编程描述应包含下列元件：NiosII CPU；JTAG_UART接口；本目标板中采用串行配置器件EPCS存储FPGA的配置文件，因此需要Active Serial MemoryInterface(ASMI)；Tri-State Bridge(三态桥)；CFI接口的Flash；System ID Peripheral；用于存放程序以及作为数据缓冲的On-chip memory。
　　下面以本目标板为例，介绍创建目标板编程描述的步骤：
　　①启动NiosII SDK shell；
　　②运行mk_target_board命令，创建一个目标板Flash编程描述模板(参数 name=flash_board，family=cyclone，clock=80，index=1，epcs=U5，buffer_size=2 048，class=flash_programer)；
　　③启动QuartusII软件并打开刚才创建的目标板编程描述工程flash_programer.qPf；
　　④在QuartusII软件中选择Assignments→Device打开setting对话框，选取FPGA型号，本例为EP1C6Q240C8；
　　⑤启动SOPC Builder，在Target选项区的Board下拉列表框中选择Unspecified Board，Clock栏的时钟频率取50 MHz，在模板的基础上添加三态桥Avalon Tri-State Bridge和CFI接口的Flash(Flash的参考标号为U5，地址为20位，数据为16位)；
　　⑥选择System Generation选项卡，关闭Simulation选项，然后单击Generate按钮；
　　⑦当生成完成后，退出SOPC Builder，并返回到QuartuslI；

　　⑧在QuartuslI中更新原理图，然后添加、链接并命名引脚；
　　⑨进行引脚分配，确保与FPGA各引脚的连接一致；
　　⑩编译并保存工程。
　　编译成功后，目标板编程描述即成功创建。打开SOPC Builder即可在Target选项区的Board下拉列表框中找到该目标板编程描述，本例为flash_board。(该目标板编程描述的顶层图略——编者注)
　　创建好的目标板编程描述在任何设计的SOPC Builder中都能使用。如果想让该目标板编程描述在其他PC机上使用，将整个设计文件夹拷贝到NiosII安装路径<安装盘>＼altera＼kits＼nios2＼components目录下即可。
　　2.2 使用Flash Programmer工具编程Flash
　　目标板编程描述创建后会在SOPC Builder中的Target选项区的Board下拉列表框中显示出来。本例中所创建的目标板编程描述为flash_board。目标板编程描述创建后就可以在目标板上进行用户SOPC系统的开发了，并能将用户程序编程到Flash存储器件中。采用EPCS器件存储配置文件、Flash器件存储用户程序的SOPC系统的开发流程如图1所示。

　　用Flash Programmer工具对Flash编程的步骤如下：
　　①创建项目，构建SOPC硬件系统。
　　②启动NiosII，建立SOPC系统的软件然后进行编译、链接。
　　③在NiosII中选中要进行编程的工程，然后选择Tools→Flash Programmer，打开Flash Programmer窗口。
　　④在Main选项中，选中Program software project in-to flash memory project，表示要将工程的flash_progra-mer.elf文件写入Flash。对flash_programer.elf文件的编程，在 Flash Programmer窗口中并没有存储器和偏移地址的设置。存储器和偏移地址由SOPC Builder中的Reset Address指向的存储器和设置的偏移地址决定。如果将Reset Address指向Flash、偏移地址从0x00开始，那么Flash Programmer就会从Flash的“基地址+0x00”开始烧写数据。如果将Reset Address指向EPCS Controller、偏移地址从0x00开始，那么Flash Programmer就会从EPCS的“基地址+配置数据空间+0x00”开始烧写数据。
　　⑤选择Target Connection选项卡，在JTAG cable和JTAG device栏中选中当前所用的下载电缆和JTAG器件。
　　⑥单击Apply按钮，然后单击Program Flash按钮，开始对指定的Flash存储器编程。
　　当完成Flash编程后，由于当前的EPCS中的配置文件是目标板编程描述的配置文件，所以写入Flash的用户程序并不会马上运行。用户需要给系统重新上电，使FPGA使用EPCS中的配置文件重新配置FPGA，此时用户程序就能正常运行。
　　结 语
　　本文针对SOPC系统开发所面临的问题，提出采用外接Flash存储器件是最直接、最有效的解决方法。将FPGA的配置文件存入EPCS、用户程序存人Flash器件，SOPC系统上电后首先进行配置，然后将Flash中的用户程序载入系统RAM，这样不仅解决了存储容量的问题，也解决了Flash存取速度较慢的问题。本文对外接Flash的SOPC系统开发有一定的参考价