并行NOR Flash在SOPC开发中的应用

　　引言
　　随着FPGA技术的发展，出现了一种新概念的嵌入式系统，即SOPC（System On Programmable Chip）。SOPC技术融合了SoC和FPGA的优点，将处理器、片上总线、片上存储器、内部外设、I/O接口以及自定义逻辑集成在同一片FPGA中，而且软硬件可裁剪、可升级、可修改，具有软硬件在系统编程能力，在保证高性能的同时具有非常高的灵活性。由于大部分功能部件在FPGA内实现，外部只需要很少的器件，如大容量的RAM、Flash、DAC、ADC等。在系统需要脱离计算机独立运行时（绝大部分情况如此），非易失的存储器件Flash是必不可少的。Flash可以用来存储配置比特流、代码、数据或参数等重要信息。本文以Intel StrataFlash 3V Memory系列的JS28F128J3D75并行NOR Flash（简称“J3D”）和Xilinx FPGA Spartan3E系列的XC3S1600E（简称“1600E”）为背景，在结合项目开发经验和参阅相关文献的基础上，介绍了并行NOR Flash在SOPC开发中的4种不同应用。

　　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。
   
                                              图1 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4.7kΩ电阻接高电平，LDC2通过4.7 kΩ电阻接地，LDC1和LDC0通过4.7kΩ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的误操作；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340Ω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。

　　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4.7kΩ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，右击并在弹出的菜单中选择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。
   
                                图2 Generate Linker Script对话框

　　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。

　　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