大容量串行e-Flash的FPGA配置方案

引 言 
     现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种集通用性强、设计灵活、集成度高和编程方便等诸多优点于一身的现场可编程ASIC。自1985年美国的Xilinx公司推出FPGA产品并取得成功以后，FPGA发展迅猛，门数不断提升，达到数百万门的规模；产品种类日益丰富，性能不断完善，在军事、通信、医疗、消费类电子等各领域发挥了巨大的作用。
Xilinx公司的FPGA具有很高的性价比，其集成开发环境ISE和Webpack效率高、界面友好，因此在业界有着广泛的应用。通常对Xilinx公司的FPGA配置采用专用的配置芯片，速度较快，其价格也正逐步降低。笔者为配合某电力测量仪表的开发，对Xilinx公司的SpartanII系列FPGA的配置方案进行了探索，总结出一套成本低廉、接口简单、便于移植的方法。该方法采用Megawin公司的1Mb大容量串行e-Flash存储器MM36SB010存放FPGA配置文件，通过MCU在被动串行模式下完成了对XC2S30的在线配置。

1 Spartanll配置简介 
    Xilinx公司的SpartanII系列FPGA产品成熟。该系列是采用0.18 μ m工艺的2.5V低电压FPGA芯片，功耗低，可无限次编程。XC2S30是该系列FPGA中的一款，总门数达3万门，可以实现电力测量仪表中采样数据的串行编码和多CPU间的数据交换的功能。
    XC2S30采用CMOS SRAM工艺。由于SRAM的易失性，断电后配置信息消失，因此上电时必须对该芯片重新配置才能使其正常工作。本节将详细介绍XC2S30的配置方式。该配置方式对SpartanlI系列的其它FPGA同样适用。
1.1 配置模式 
    XC2S30支持4种配置模式：被动串行模式（slave serialmode）、主动串行模式(master serial mode)、被动并行模式(slave parallel mode)和边界扫描模式(boundary-scanmode)。在每次芯片上电初始化完毕后，芯片将采样模式引脚M[2：0]以决定配置模式。配置引脚状态和配置模式的关系如表1所列。(X代表任意状态。)

    根据不同的应用场合，用户可以选择不同的配置方式。在XC2S30内部逻辑设计阶段，可采用边界扫描模式进行配置。配置文件可通过Xilinx公司的下载电缆(如Xilinx并行下载电缆)下载到芯片，便于在线调试。但是在产品成品阶段，已经设计好的配置文件必须存储于EEPROM或者Flash等非易失的存储器中。在系统上电时，外围器件通过FPGA配置引脚将配置文件传送至FPGA中，从而使其正常工作。根据用户的需要，可以选择主动串行模式、被动串行模式和被动并行模式。其中串行的两种模式需要的I/O口资源较少，但速度较慢；被动并行模式需要的I/O口资源较多，速度也较快。根据本系统的设计要求，选择了占用I/0口资源较少的被动串行模式对XC2$30进行配置。
1.2 被动串行模式下的配置引脚 
    在被动串行模式下，所用到的配置引脚为模式选择M[2:0]、配置时钟CCLK、配置复位PROGRAM、配置完成DONE、配置数据串行输入DIN和初始化状态INIT。
1.3 被动串行模式下的配置步骤及时序 
    XC2S30上电后，当内核和I/O口电源引脚电压达到高电平或者用户将PROGRAM引脚置低时，芯片便进入初始化状态。此后芯片将INIT引脚置低，代表芯片正在清空配置存储器，清空完成后INIT引脚将被置高，代表清空完毕。在INIT的上升沿，模式选择引脚M[2:0]被采样，以决定配置模式，若为11x则采用被动串行模式。此后配置文件信息可以通过CCLK和DIN两个配置引脚输入至XC2S30中。配置数据在CCLK的上升沿采样。在配置期间芯片会自动进行CRC错误检验。若发生了CRC校验错误，INIT引脚将被置低，用户可以检测该引脚判断配置过程中是否出现错误。当配置文件成功输入至芯片中，芯片置DONE引脚为高，用户可检测该引脚判断配置是否成功。此后芯片进入正常工作状态。配置流程如图1所示。

2 MM36SB010的读写方式 
    MM36SB010是Megawin公司生产的大容量SPI串行e-F1ash存储器。该芯片具有低功耗(小于4mA)、宽电压(2.4～5.5V)、高速(8MHz工作频率)、大容量(1Mb)和小页面(每页128B)、低成本等诸多优点，特别适合于消费电子、通信、工业控制等领域的应用。该芯片可工作在2线或者3线串行总线方式。本方案使用该芯片存储FPGA配置文件，读写接口简单，速度快。 
MM36SB010的容量为1Mb，共分1024页，每页128B。芯片内部有1个128B的缓冲区，可以对读写数据进行暂存，内部结构如图2所示。

    MM36SB010可工作在2线或者3线串行总线方式，工作方式通过SMC(串行模式控制)引脚来选择。当SMC为高电平时，为2线方式；当SMC为低电平时，为3线方式。本方案采用3线方式，串行数据输入和输出引脚分开，数据输入引脚为SDl0，数据输出引脚为SDO。MM36SB010的状态可通过引脚BUSY来检测，也可以通过访问状态寄存器进行查询。3线工作方式的电路示意如图3所示。

    MCU可通过SCLK和SDIO引脚向MM36SB010发送控制命令，实现MM36SB010的软件复位、Flash存储器或缓冲区数据的读写和状态查询等功能。常用的命令有软件复位(SRC)、读状态寄存器(RSE)、读F1ash存储器数据(RME、RMEC)、写缓冲区(WEB、WEBC)、带预擦除功能的写缓冲区数据至Flash存储器(WBMEP)。所有的命令、地址和数据都从最低位(LSB)开始发送。
在MM36SB010上电后需执行一次软件复位指令，等待20ms后芯片即可正常工作。数据可从Flash存储器中用RME和RMEC：指令直接读取，但写数据至Flash存储器前必须用WEB和WEBC命令将数据送入缓冲区内，再用WBMEP或者WBMP命令将缓冲区内的数据送入Flash存储器。 
    虽然MM36SB010的时钟SCLK的频率最高可达8MHz，但是由于每次从Flash读写一个字节数据前必须先送入控制命令，因此实际的读写速度小于4MHz。

3 配置方案 
    Xilinx公司针对各款FPGA都设计了专用的配置芯片，如在系统可编程18VXX系列和串行一次性可编程PROM-XCl7V00系列。目前18Vxx系列价格正逐步降低，但是由于其专用性，该ROM很难被系统中其它部分共享；XCl7V00系列虽然价格较低，但只能一次性烧写，只适用于成品阶段。本方案中XC2S30的配置文件存储于MM36SB010，并由MCU完成其读写功能，配置文件通过RS232串口下载。当配置文件下载完毕后，由MCU从MM36SB010中读取并对XC2S30进行配置。MM36SB010中其余存储空间可供其它程序模块使用。
3.1 硬件框图 
    MCU通过SCLK、SDIO、SDO完成对MM36SB010的读写，同时MCU通过CCLK、DIN、INIT、PROGRAM、DONE引脚完成对XC2S30的配置。硬件框图如图4所示。

　

3.2 MCU程序 
    本方案的MCU内部程序主要完成三部分功能：与PC机的串口通信、读写MM36SB010和配置XC2S30。MCU工作在两种状态，在上电时MCU从MM36SB010中读取配置文件并对XC2S30进行配置，完成配置后等待PC机从串口发出的下载命令。接收到该命令后，MCU开始接收配置文件并写入MM36SB010。程序流程如图5所示。 

    对XC2S30配置的程序部分主要完成被动串行模式的配置时序，配置时序如图6所示。 

    配置部分程序代码如下：
//函数定义
//从e-Flash中读取配置文件数据void ReadFlashData(unsigned int p_addr，unsigned char b_addr，unsigned char count，unsigned char*buf)
//p_addr为页地址，b_addr为页内地址，buf为MCU内部存储        //器指针{ 
unsigned int i，temp=0： 
send_one_byte(0x9C)；                                       //送RME指令 
send_one byte(b_addr)；                                     //送页内地址 
send_one_byte((unsigned char)(P_addr & 0x00FF))；           //送页低字节地址 
send_one_byte((unsigned char)p_addr&0xFF00))；              //送页高字节地址 
buf[0]=read one byte()；                                    //读取数据 
for(i=1;i<count;i++){                                       //连续读取数据 
send_one_byte(RMEC)；                                       //送RMEC指令 
buf[i]=read_one_byte()； 
}
}
                                                           //向SpartanlI发送配置数据
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；                                        //配置文件长度
INIT=1；
PROGRAM=0；                                             //清空配置存储器
Delay()；                                               //延时
PROGRAM=1；
while(INIT==0)；                                        //等待存储器清空
while(1){ 
ReadFlashData(page_addr，bit_addr，128，databuf)； 
                                                        //从MM36SB010中读取128字节配置文件数据 
SendConfigData(128，databuf)；                          //发送配置文件数据至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……                                               //配置失败

结语 
    本方案提出了一种基于大容量串行e-Flash的XilinxSpartanlI系列FPGA在线配置的方法。该方案适用于采用MCU的嵌入式系统中，占用MCU的I/O口资源少，且可以实现ROM的共享。MCU程序采用C语言编写，便于在单片机、ARM等MCU间的移植。经过实际测试，配置XC2S30仅需数秒，可以应用在对设备开机时间要求不高的场合。本方案已经应用在某电力测量设备中，效果理想，运行可靠。