FPGA中SPI复用配置的编程方法

1、fpga中spi复用配置的编程方法spi(serial peripheral interface，串行外围设备接口)是一种高速、全双工、同步的通信，在芯片的引脚上只占用4根线，不仅节省了芯片的引脚，同时在的布局上还节约空间。正是出于这种容易、易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。1 spi配置介绍11 spantan-3e spi配置流程spi方式是通过符合spi接口时序的第三方spi flash对举行加载。它适合作为fpga硬件结构的bit文件保存介质，假如应用软件工程编译后的代码较小，保存在同一片spi flash中(即复用spi flash)无疑是可行的最便宜计划。因为本没计

2、软件工程规模较小，所以利用此复用spi flash方式对fpga举行配置，既保存fpga配置的bit文件，也保存应用软件工程的bit文件。系统在上电或向prog_b引脚发出低脉冲后，fpga芯片经过一个初始化序列清空内部fpga配置存储器。此序列开头时，done和init_b引脚均转为低。初始化完成后，init_b引脚转为高，并采样芯片的配置模式及变量挑选引脚。spi模式下，fpga对变量挑选(vs2：0)引脚采样，以确定发出哪个spi指令序列。当时始化之后发出init_b信号时，模式引脚和变量挑选引脚都必需处在正确的规律级，以确保正确采样。在变量挑选引脚挑选spi指令集之后，fpga将cso

3、_b挑选信号置为低，并且开头通过fpga的cclk引脚对spi flash存储器举行时钟控制。接着发出8位读指令后跟24位起始地址0x000000和目标指令集的适量虚拟字节。fpga从地址0开头读取spi flash存储器阵列，直到读完所需的配置位数。假如从存储器件读取到有效比特流，则发done信号，以指示fpga配置胜利。图1为spi配置方式的时序。图2是at45db161d spi flash的配置接口。这种配置方式只占用了fpga芯片的4个引脚，而且配置胜利之后，全部spi引脚都成为可用的用户io引脚，这就节约了fpga的引脚资源。12 spi flash存储器的复用复用spi flas

4、h是指既用它来保存硬件配置文件、bootloader引导程序还用来保存用户应用程序。在加载阶段，fpga自动从spi flash中读取硬件配置bit文件及bootloader程序举行配置到片内bram中运行。当完成加载后，fpga内部规律启动，通过运行的bootloader程序读取spi flash中的用户应用程序，并写到外部sdram的相应位置，最后bootloader程序切换命令指针到sdram指定位置，在外部的sdram中开头执行应用程序。图3给出了本系统中复用spi flash系统结构图，用edk中的opb_sdram衔接外部sdram，用opb_spi衔接spi flash(at45

5、db161d)，通过bootloader软件程序实现从spi flash中复制用户应用程序到sdram中，然后在sdram中运行。但是，boot-loader在系统上电时会通过fp-ga芯片的配置引脚首先加载到bram中运行，这样就可以实现上电自动加载启动程序。2 bootloader引导程序的设计在工程代码编写之前要求对硬件器件有所了解，主要需要了解fpga所需要的配置文件空间，还有flash存储结构。例如：xc3s500e配置文件空间为2 270 208位，所以要按照它计算存储应用程序的基地址。at45db161d是串行接口的闪存芯片，它包含有17 301 504位，被组织为4 096页，

6、每页512528字节。除了主存储器，at45db161d还包括2个sram数据缓冲区，每个缓冲区512528字节。在主存储器正在编程时，缓冲区是允许接收数据的，并且支持数据流式写入。(此处为528字节页)at45db161d的存储器阵列分为3个级别的粒度，分离为扇区、块与页。图4对各个级别举行了分析，具体解释了每个扇区与块的页数。全部的编程操作都是针对页的。擦除操作可以作用于芯片、扇区、块或页。最后利用定义的空函数int(*boot_app_jump) (void)；”将地址指针指向内存的应用程序基地址，使其从今处开头运行程序。将目的地址赋给跳转函数boot_app_jump=(int(*)(

7、void)destination_ad-dr；运行跳转函数，使其在该函数地址开头运行程序boot_app_jump()；3 spi flash软件引导过程及spi flash编程本试验用法容易的应用程序(打印hello_world)，即工程“hello_world”。工程serial_flash_bootloader就是上面设计的引导程序。31 编译用户应用程序的二进制文件因为应用程序要在外部sdram中运行，所以不需要初始化bram存储器，5所示。为了指明程序的开头地址和应用程序的可执行文件的产生路径，需要在编译选项中设置。右键“应用程序工程”，set compiler options在ou

8、tput elf file中挑选可执行文件的产生路径，如xc3s500ehello_worldhello_worldelf，在program start address中键入程序执行的起始地址(这里是sdram的基地址：0x90000000)。接下来编译应用程序工程，编译完成后就会在xc3s500ehello_world文件夹中产生hello_worldelf。为了后面向spi flash编程的需要，应将elf改变成二进制形式的文件。这就需要利用cygwin shell窗口指令来完成，这个脚本提供了一个容易的指令实现这个目的。利用mb-objcopy-o binaryoptionself fi

9、le inputbi-nary file to output指令就可以将elf改变成二进制形式的文件(b文件)。例如：mb-objcopy-o binary hello worldhelloworldelfhello_worldhello_worldb用来在工程名目下hello_world文件夹创建工程的一个hello_worldb的二进制文件。生成的文件hello_worldb大约2 kb左右。32 bootloader引导程序与硬件配置文件的生成serial_flash_bootloader要初始化到bram中(即在“工程”上右键bram initialization and unmark

10、 a11)。这样做的意义是在编译bootloader程序时就将它编译后的执行文件(elf文件)加入到硬件systembit中生成一个downloadbit。这个文件既包含了系统硬件配置信息，又包括了bootloader程序执行文件。因为设置了初始化到bram中，所以在系统上电时才干使bootloader程序自动加载到片内bram中运行，实现程序的引导功能。只要利用edk用软件中download bitstram功能就可以实现上述功能。33 编写spi prom文件本部分提供为spi flash存储器创建prom文件的指导原则。在将生成bitstrambit比特流转换成spi格式prom文件之前

11、，设计人员必需确认该比特流是用bitg-en-g startupclk：cclk选项生成的。此选项使启动挨次与spartan-3e内部时钟同步，从而确保fpga功能正常。将硬件配置和serial_flash_bootloader引导程序的bitstrembit转换为mcs格式文件。将前面得到的应用程序的二进制文件(hello_worldb)转换为mcs格式文件。将以上得到了2个mcs文件合成1个mcs文件。编程spi flash芯片。以上过程，除了以外，公司的impact编程软件都可以实现。要由dos指令完成。所以下面都是以dos指令来完成编程的全过程。再用法dos指令完成格式化和编程之前，要

12、对down-loadbit、应用程序、spipartnam和spi_offset参数举行设置，以便xspi软件程序能对用户要求加以识别。如下：set bitstream=implementationdownloadbitset application="hello"_worldset spipartname="at45db161d"spi flash器件的名称set spi_offset=0x63000hello_world的应用程序就会从flash中0x63000地址向上存放，引导程序也是从这里开头加载到sdram中的接下来就是执行转换的指令。第1步：

13、rem step 1convert downloadbit to mcsimpact convert_bits_to_mcscmd此指令将硬件配置和serial_flash_bootloader引导程序的bitstrembit转换为mcs格式文件。第2步：rem step 2convert binary application tomcsxmcsutil-accept_notice-iapplicationb-oappli-cationmcs-29完成了应用程序(hello_world)的二进制文件(hello_worldb)转换为mcs格式文件。第3步：rem step 3combine a

14、pplication mcs withbitstream mcsxmcsutil-accept_notice-i bitstreammcsapplica-tionmcs-o combinedmcs-16-segaddr 0x00spi_off-set-usedataaddr-padff这个指令将以上得到了的mcs文件合成一个mcs文件。第4步：rem step 4program the at45db161dxip-accept_notice-skip_syncword_check-mcs-spi_epv-icombinedmcs-o verifytxt-select_cable 1完成对spi flash芯片编程。此指令用法轮询擦除spi内容，然后对spi器件的内容举行编程和验证。任何验证不匹配项都记录在resultout文件中。默认状况下，xspi认定数据是hex格式。假如输入文件是hex格式，则去除-mcs选项。xilinx软件工具impact从spartan-3e比特流生成spi格式prom文件。spi存储器件首先串行输出数据的msb字节，而xilinx prom则首先输出数据的lsb。与标准xilinx prom文件相比，spi格式prom文件在每字节内有位反转，因此，需要在promgen