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大容量串行e-Flash的FPGA配置方案

更新日期:2006-09-16  作者:上海大學…  來源:單片機及嵌入式系統應用

引 言 
     現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)是一種集通用性強、設計靈活、集成度高和編程方便等諸多優點于一身的現場可編程ASIC。自1985年美國的Xilinx公司推出FPGA產品并取得成功以后,FPGA發展迅猛,門數不斷提升,達到數百萬門的規模;產品種類日益豐富,性能不斷完善,在軍事、通信、醫療、消費類電子等各領域發揮了巨大的作用。
Xilinx公司的FPGA具有很高的性價比,其集成開發環境ISE和Webpack效率高、界面友好,因此在業界有著廣泛的應用。通常對Xilinx公司的FPGA配置采用專用的配置芯片,速度較快,其價格也正逐步降低。筆者為配合某電力測量儀表的開發,對Xilinx公司的SpartanII系列FPGA的配置方案進行了探索,總結出一套成本低廉、接口簡單、便于移植的方法。該方法采用Megawin公司的1Mb大容量串行e-Flash存儲器MM36SB010存放FPGA配置文件,通過MCU在被動串行模式下完成了對XC2S30的在線配置。

1 Spartanll配置簡介 
    Xilinx公司的SpartanII系列FPGA產品成熟。該系列是采用0.18 μ m工藝的2.5V低電壓FPGA芯片,功耗低,可無限次編程。XC2S30是該系列FPGA中的一款,總門數達3萬門,可以實現電力測量儀表中采樣數據的串行編碼和多CPU間的數據交換的功能。
    XC2S30采用CMOS SRAM工藝。由于SRAM的易失性,斷電后配置信息消失,因此上電時必須對該芯片重新配置才能使其正常工作。本節將詳細介紹XC2S30的配置方式。該配置方式對SpartanlI系列的其它FPGA同樣適用。
1.1 配置模式 
    XC2S30支持4種配置模式:被動串行模式(slave serialmode)、主動串行模式(master serial mode)、被動并行模式(slave parallel mode)和邊界掃描模式(boundary-scanmode)。在每次芯片上電初始化完畢后,芯片將采樣模式引腳M[2:0]以決定配置模式。配置引腳狀態和配置模式的關系如表1所列。(X代表任意狀態。)



    根據不同的應用場合,用戶可以選擇不同的配置方式。在XC2S30內部邏輯設計階段,可采用邊界掃描模式進行配置。配置文件可通過Xilinx公司的下載電纜(如Xilinx并行下載電纜)下載到芯片,便于在線調試。但是在產品成品階段,已經設計好的配置文件必須存儲于EEPROM或者Flash等非易失的存儲器中。在系統上電時,外圍器件通過FPGA配置引腳將配置文件傳送至FPGA中,從而使其正常工作。根據用戶的需要,可以選擇主動串行模式、被動串行模式和被動并行模式。其中串行的兩種模式需要的I/O口資源較少,但速度較慢;被動并行模式需要的I/O口資源較多,速度也較快。根據本系統的設計要求,選擇了占用I/0口資源較少的被動串行模式對XC2$30進行配置。
1.2 被動串行模式下的配置引腳 
    在被動串行模式下,所用到的配置引腳為模式選擇M[2:0]、配置時鐘CCLK、配置復位PROGRAM、配置完成DONE、配置數據串行輸入DIN和初始化狀態INIT。
1.3 被動串行模式下的配置步驟及時序 
    XC2S30上電后,當內核和I/O口電源引腳電壓達到高電平或者用戶將PROGRAM引腳置低時,芯片便進入初始化狀態。此后芯片將INIT引腳置低,代表芯片正在清空配置存儲器,清空完成后INIT引腳將被置高,代表清空完畢。在INIT的上升沿,模式選擇引腳M[2:0]被采樣,以決定配置模式,若為11x則采用被動串行模式。此后配置文件信息可以通過CCLK和DIN兩個配置引腳輸入至XC2S30中。配置數據在CCLK的上升沿采樣。在配置期間芯片會自動進行CRC錯誤檢驗。若發生了CRC校驗錯誤,INIT引腳將被置低,用戶可以檢測該引腳判斷配置過程中是否出現錯誤。當配置文件成功輸入至芯片中,芯片置DONE引腳為高,用戶可檢測該引腳判斷配置是否成功。此后芯片進入正常工作狀態。配置流程如圖1所示。




2 MM36SB010的讀寫方式 
    MM36SB010是Megawin公司生產的大容量SPI串行e-F1ash存儲器。該芯片具有低功耗(小于4mA)、寬電壓(2.4~5.5V)、高速(8MHz工作頻率)、大容量(1Mb)和小頁面(每頁128B)、低成本等諸多優點,特別適合于消費電子通信、工業控制等領域的應用。該芯片可工作在2線或者3線串行總線方式。本方案使用該芯片存儲FPGA配置文件,讀寫接口簡單,速度快。 
MM36SB010的容量為1Mb,共分1024頁,每頁128B。芯片內部有1個128B的緩沖區,可以對讀寫數據進行暫存,內部結構如圖2所示。



    MM36SB010可工作在2線或者3線串行總線方式,工作方式通過SMC(串行模式控制)引腳來選擇。當SMC為高電平時,為2線方式;當SMC為低電平時,為3線方式。本方案采用3線方式,串行數據輸入和輸出引腳分開,數據輸入引腳為SDl0,數據輸出引腳為SDO。MM36SB010的狀態可通過引腳BUSY來檢測,也可以通過訪問狀態寄存器進行查詢。3線工作方式的電路示意如圖3所示。


    MCU可通過SCLK和SDIO引腳向MM36SB010發送控制命令,實現MM36SB010的軟件復位、Flash存儲器或緩沖區數據的讀寫和狀態查詢等功能。常用的命令有軟件復位(SRC)、讀狀態寄存器(RSE)、讀F1ash存儲器數據(RME、RMEC)、寫緩沖區(WEB、WEBC)、帶預擦除功能的寫緩沖區數據至Flash存儲器(WBMEP)。所有的命令、地址和數據都從最低位(LSB)開始發送。
在MM36SB010上電后需執行一次軟件復位指令,等待20ms后芯片即可正常工作。數據可從Flash存儲器中用RME和RMEC:指令直接讀取,但寫數據至Flash存儲器前必須用WEB和WEBC命令將數據送入緩沖區內,再用WBMEP或者WBMP命令將緩沖區內的數據送入Flash存儲器。 
    雖然MM36SB010的時鐘SCLK的頻率最高可達8MHz,但是由于每次從Flash讀寫一個字節數據前必須先送入控制命令,因此實際的讀寫速度小于4MHz。

3 配置方案 
    Xilinx公司針對各款FPGA都設計了專用的配置芯片,如在系統可編程18VXX系列和串行一次性可編程PROM-XCl7V00系列。目前18Vxx系列價格正逐步降低,但是由于其專用性,該ROM很難被系統中其它部分共享;XCl7V00系列雖然價格較低,但只能一次性燒寫,只適用于成品階段。本方案中XC2S30的配置文件存儲于MM36SB010,并由MCU完成其讀寫功能,配置文件通過RS232串口下載。當配置文件下載完畢后,由MCU從MM36SB010中讀取并對XC2S30進行配置。MM36SB010中其余存儲空間可供其它程序模塊使用。
3.1 硬件框圖 
    MCU通過SCLK、SDIO、SDO完成對MM36SB010的讀寫,同時MCU通過CCLK、DIN、INIT、PROGRAM、DONE引腳完成對XC2S30的配置。硬件框圖如圖4所示。

 


3.2 MCU程序 
    本方案的MCU內部程序主要完成三部分功能:與PC機的串口通信、讀寫MM36SB010和配置XC2S30。MCU工作在兩種狀態,在上電時MCU從MM36SB010中讀取配置文件并對XC2S30進行配置,完成配置后等待PC機從串口發出的下載命令。接收到該命令后,MCU開始接收配置文件并寫入MM36SB010。程序流程如圖5所示。 



    對XC2S30配置的程序部分主要完成被動串行模式的配置時序,配置時序如圖6所示。 



    配置部分程序代碼如下:
//函數定義
//從e-Flash中讀取配置文件數據void ReadFlashData(unsigned int p_addr,unsigned char b_addr,unsigned char count,unsigned char*buf)
//p_addr為頁地址,b_addr為頁內地址,buf為MCU內部存儲        //器指針{ 
unsigned int i,temp=0: 
send_one_byte(0x9C);                                       //送RME指令 
send_one byte(b_addr);                                     //送頁內地址 
send_one_byte((unsigned char)(P_addr & 0x00FF));           //送頁低字節地址 
send_one_byte((unsigned char)p_addr&0xFF00));              //送頁高字節地址 
buf[0]=read one byte();                                    //讀取數據 
for(i=1;i<count;i++){                                       //連續讀取數據 
send_one_byte(RMEC);                                       //送RMEC指令 
buf[i]=read_one_byte(); 
}
}
                                                           //向SpartanlI發送配置數據
void SendConfigData(unsigned char count,unsigned char*configdata)
{
unsigned chari,j,temp; 
CCLK=0; 
for(i=count;i>0;i--){
temp=*configdata++; 
for(j=0;j<8;j++){ 
if((temp&0x80)==0 
DIN=O; 
else 
DIN=1: 
tem0=temp<<1; 

CCLK=I; 
CCLK=0; 
}
}                                                        //主程序…… 
……                                                     //程序初始化部分
length=FILESIZE;                                        //配置文件長度
INIT=1;
PROGRAM=0;                                             //清空配置存儲器
Delay();                                               //延時
PROGRAM=1;
while(INIT==0);                                        //等待存儲器清空
while(1){ 
ReadFlashData(page_addr,bit_addr,128,databuf); 
                                                        //從MM36SB010中讀取128字節配置文件數據 
SendConfigData(128,databuf);                          //發送配置文件數據至XC2S30 
length-=128; 
if(1ength<128) 
break;
}
void ReadFlashData(page_addr,bit_addr,length,databuf);
SendConfigData(Iength,databu);
if(DONE==1)……                                        //配置成功
else……                                               //配置失敗

結語 
    本方案提出了一種基于大容量串行e-Flash的XilinxSpartanlI系列FPGA在線配置的方法。該方案適用于采用MCU的嵌入式系統中,占用MCU的I/O口資源少,且可以實現ROM的共享。MCU程序采用C語言編寫,便于在單片機ARM等MCU間的移植。經過實際測試,配置XC2S30僅需數秒,可以應用在對設備開機時間要求不高的場合。本方案已經應用在某電力測量設備中,效果理想,運行可靠。

 etyjtykjuy
 
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