Xilinx Virtex5 FPGA配置Flash的通用訪問方法研究

中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 樊宏倫

引言

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）由于其資源豐富、設(shè)計(jì)周期短和風(fēng)險(xiǎn)小、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理和控制領(lǐng)域。FPGA大多采用SRAM工藝，掉電后內(nèi)部配置數(shù)據(jù)丟失，再次上電后需要重新對(duì)其進(jìn)行配置，因此在FPGA外部多采用非易失性存儲(chǔ)器（稱為FPGA的配置PROM或配置Flash）來存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)以方便每次加電后對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用程序需要存儲(chǔ)部分非易失性數(shù)據(jù)的情況，受空間和成本限制，我們不太可能在電路設(shè)計(jì)中增加額外的外部存儲(chǔ)器。由于選用的配置Flash的存儲(chǔ)容量往往大于FPGA配置文件的大小，我們可利用配置Flash的剩余空間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以達(dá)到節(jié)省電路板空間和成本的目的。

本文以Xilinx Virtex5 XC5VLX110 FPGA及其配置Flash XCF128X為例，介紹了FPGA配置完成后對(duì)Flash的讀電子簽名、總線讀寫、塊擦除等操作，并通過Chipscope工具進(jìn)行了在線驗(yàn)證，為后續(xù)應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.硬件設(shè)計(jì)

XCF128X是一款專門為Vitrex5系列FPGA配置設(shè)計(jì)的Flash，其采用低功耗CMOS NOR-Flash工藝，容量為128Mb。XC5VLX110 FPGA采用XCF128X作為配置Flash的電路如圖1所示。本文以主SelectMap模式為例介紹FPGA配置完成后對(duì)Flash的訪問操作，其它配置模式與此類似，不再贅述。在主SelectMap配置模式下地址總線23位、數(shù)據(jù)總線16位，配置時(shí)鐘由FPGA的CCLK管腳提供，CCLK時(shí)鐘頻率可在ISE開發(fā)環(huán)境的配置選項(xiàng)中的“配置速率”（-g Con figRate）中進(jìn)行設(shè)置。

圖1 FPGA主SelectMap配置電路

XC5VLX110 FPGA的上電配置過程如下：

上電，F(xiàn)PGA清除內(nèi)部配置存儲(chǔ)器，將INIT_B管腳驅(qū)動(dòng)為低電平（對(duì)應(yīng)Flash的RP管腳為低進(jìn)行復(fù)位）；在復(fù)位時(shí)Flash將其RDY_WAIT管腳驅(qū)動(dòng)為低電平（對(duì)應(yīng)FPGA PROGRAM_B管腳為低）；

FPGA和Flash分別釋放各自的INIT_B管腳和RDY_WAIT管腳，外部上拉電阻將INIT_B和RDY_WAIT（PROGRAM_B）分別拉為高電平；

在INIT_B上升沿采樣M2：M0管腳，確定其配置模式為主SelectMap配置模式；

Flash初始讀地址由地址總線A[22:0]上的下拉電阻確定為0x000000，F(xiàn)lash將初始讀地址鎖存到內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器，輸出數(shù)據(jù)總線DQ[15:0]上的16位配置數(shù)據(jù)；

配置數(shù)據(jù)在CCLK時(shí)鐘下被同步送到FPGA中，然后Flash增加其內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器，并輸出數(shù)據(jù)總線DQ[15:0]上下一個(gè)16位置配置數(shù)據(jù)到FPGA，依次類推；

配置成功后，F(xiàn)PGA將Done信號(hào)驅(qū)動(dòng)為高電平。

2.Flash訪問方法介紹

FPGA配置完成后，其部分配置管腳可以被釋放為通用I/O，如表1所示。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)Flash操作時(shí)序，在FPGA中編寫VHDL代碼，同時(shí)進(jìn)行管腳約束后對(duì)Flash進(jìn)行相應(yīng)訪問。

表1 配置完成后釋放為通用I/O的管腳

由于CCLK管腳并沒有被釋放為通用I/O，如果在FPGA配置完成后需要對(duì)Flash進(jìn)行同步讀操作，可以通過例化STARTUP_VIRTEX5原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)CCLK的控制。本文對(duì)Flash進(jìn)行異步讀操作，不需要對(duì)此原語(yǔ)進(jìn)行例化。

Flash操作采用命令訪問方式，在進(jìn)行訪問之前要先寫相應(yīng)命令，具體操作如表2所示。

表2 Flash操作命令

3.Flash訪問在線驗(yàn)證

本節(jié)編寫對(duì)Flash進(jìn)行讀電子簽名、異步讀寫和擦除等操作的VHDL代碼，并通過Chipscope工具進(jìn)行了在線調(diào)試，驗(yàn)證了FPGA配置完成后對(duì)Flash操作的可行性和正確性。

XC5VLX110 FPGA的配置文件大小為29124608bit（約為28Mb），因此XCF128X存在約100Mb的剩余空間可以利用。為了不覆蓋配置文件，本文對(duì)Flash Bank3的Block0（字地址區(qū)間為0x600000～0x60FFFF）進(jìn)行相應(yīng)操作。

Flash寫時(shí)序和異步讀時(shí)序分別如圖2和圖3所示。

圖2 Flash寫時(shí)序

圖3 Flash異步讀時(shí)序

Flash讀取電子簽名的在線調(diào)試圖如圖4所示。其中讀取的制造商ID為0049，器件ID為506B，與器件手冊(cè)一致。

圖4 Flash讀取電子簽名的在線調(diào)試圖

Flash上電后寄存器默認(rèn)配置為同步讀模式，需要將配置寄存器的CR15位設(shè)置為1進(jìn)入異步讀模式。Flash上電后處于鎖定狀態(tài)，進(jìn)行寫操作前需要先對(duì)寫地址空間解鎖；若Flash寫地址空間非空，解鎖后還需要對(duì)其進(jìn)行擦除操作。Flash讀寫操作的在線調(diào)試圖如圖5所示，在地址0x60000寫入數(shù)據(jù)0xAA55，然后讀該地址，讀出來的數(shù)據(jù)為0xAA55。

圖5 Flash讀寫操作的在線調(diào)試圖

Flash塊擦除的在線調(diào)試圖如圖6所示，F(xiàn)lash 地址0x60000擦除后內(nèi)部數(shù)據(jù)為0x FFFF。

圖6 Flash擦除的在線調(diào)試圖

4.結(jié)論

本文以Xilinx Virtex5 XC5VLX110 FPGA及其配置Flash XCF128X為例，介紹了FPGA配置完成后對(duì)Flash的讀電子簽名、總線讀、總線寫、塊擦除等操作，并通過Chipscope工具進(jìn)行了在線驗(yàn)證，在空間和成本受限的情況下為后續(xù)需要存儲(chǔ)外部數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。