基于SPI FLASH的FPGA多重配置

　　當狀態(tài)機從用戶(hù)程序接收到一個(gè)觸發(fā)條件后，會(huì )發(fā)送一系列如圖3所示的IPROG命令。Verilog編碼實(shí)現狀態(tài)機的過(guò)程中，必須按照圖3給出的指令順序發(fā)送這些IPROG命令，否則無(wú)法正確的與ICAP核通信。同時(shí)這些指令都具有自己特殊的定義而且必須服從Select-MAP數據順序，否則無(wú)法通信。IPROG指令的具體定義及說(shuō)明如表1所示。

　　在上述配置指令過(guò)程中，第五步Warm Boot StartAddress Register(WBSTAR)指定了滿(mǎn)足觸發(fā)條件的比特流在SPI FLASH中的起始地址，WBSTAR被賦值的地址必須和即將配置的bit流在SPI FLASH中的物理位置相同，否則FPGA就無(wú)法從外部讀取bit流。WBSTAR被賦值的數值都是提前根據程序的要求計算好的。計算WBSTAR值的時(shí)候需要了解WBSTAR寄存器每一位的具體含義，如圖5所示。

　　WBSTAR寄存器共31位，高三位是保留位，RS[1：0]

　　兩位指定了可以多重配置的bit流的個(gè)數。RS_TS_B是RS[1：0]的使能信號：0表示Disabled，1表示Enabled.

　　START_ADDR表示要回讀的比特流在外部配置存儲器的起始地址。狀態(tài)機在對WBSTAR進(jìn)行賦值時(shí)，要根據自己選擇的bit流個(gè)數以及對應各個(gè)bit流在外部配置存儲器貯存的地址自行計算WBSTAR地址。這里以4個(gè)bit流為例說(shuō)明WBSTAR地址的計算方法，如表2所示。狀態(tài)機使用的地址是服從SelectMAP數據順序的地址。FPGA專(zhuān)用配置邏輯在收到IPROG指令后，開(kāi)始執行內部復位操作(JATG管角和重載控制部分不進(jìn)行復位操作)，擦除板卡上原有的程序，從FLASH芯片中WBSTAR所指向的起始地址開(kāi)始讀取新配置文件完成FPGA的重配置。

　　2多重配置的實(shí)現

　　Xilinx系列的FPGA需要將后綴名為mcs的內存鏡像文件固化到外部配置存儲器中，FPGA上電后才能自動(dòng)加載配置文件。一般的mcs文件只包含一個(gè)bit流文件，多重啟動(dòng)的固化文件(。mcs)包含多bit流文件。在將多個(gè)bit流整合到mcs文件的過(guò)程中，需要指定每個(gè)bit流的起始地址，這樣FPGA專(zhuān)用配置邏輯才能根據地址找到對應的bit流。首先將用戶(hù)開(kāi)發(fā)的應用程序和重載控制模塊添加到一個(gè)工程當中，利用ISE編譯軟件生成位流文件(。bit)。由于Virtex5系列器件本身的特性，一般情況下生產(chǎn)的bit流文件大約為3 300 KB，而SPIFLASH的容量為32 Mb即4 MB，這個(gè)容量無(wú)法滿(mǎn)足在一個(gè)SPI FLASH上貯存多個(gè)bit流文件，需要對生成的bit流進(jìn)行壓縮。在用ISE軟件生成bit流文件時(shí)，當完成了Synthesize-XST以及Implement Design后，執行到最后一步Generate Programming File時(shí)，在Process Proper-ties中General Options選項中勾選Enable BitstreamCompression.通過(guò)這個(gè)壓縮設置可以對bit流進(jìn)行壓縮，壓縮后的bit流大約在500~600 KB之間，可以滿(mǎn)足在一個(gè)容量為32 Mb的SPI FLASH上貯存多個(gè)bit流文件。其次將需要進(jìn)行重配置的多個(gè)位流文件拷貝至一個(gè)工程目錄下，有兩種方法可以將多個(gè)bit流整合為一個(gè)mcs文件。第一種方法是通過(guò)ISE編譯軟件的命令行窗口，使用命令行命令將多個(gè)位流文件合并為一個(gè)FLASH存貯芯片M25P32中燒寫(xiě)的內存鏡像文件(。mcs)。第二種方法是用Impact軟件創(chuàng )建MultibootSPI FLASH，選擇相應的FPGA型號和FLASH的容量以及要包含的bit流的個(gè)數(版本的個(gè)數)。本文使用第一種方法來(lái)將多個(gè)bit流文件形成一個(gè)內存鏡像文件(。mcs)。使用promgen命令的具體格式為：

　　promgen -spi -pmcs -oMulitBoot.mcs-s4096 -u0rev0.bit -u100000rev1.bit -u200000rev0.bit -u300000rev0.bit命令中各參數的說(shuō)明如下所述。-spi：表示生成的mcs文件要固化到SPI FLASH中;-p mcs：生成文件的格式是mcs格式;-o ML507.mcs：要生成的文件名，可以根據需要修改;-s 4096：定義了外部存儲器的容量，4096表示32 Mb;- u 0rev0.bit：表示名字為rev0的比特流文件在外部存儲器的起始地址為0;-u 100000 rev1.bit：表示名字為rev1的比特流文件在外部貯存的起始地址為100000.在生成mcs文件后，通過(guò)IM-PACT軟件將mcs文件固化到SPI FLASH中。

　　FPGA上電自動(dòng)從外部SPI FLASH加載一個(gè)初始化的bit流，當需要執行新的程序時(shí)，會(huì )根據觸發(fā)條件以及啟動(dòng)地址重新配置。在實(shí)驗中，通過(guò)PC機串口終端發(fā)送指令當做觸發(fā)條件實(shí)現多重配置。在實(shí)際應用中，還可以根據具體硬件實(shí)現，采用其他通信方式傳送控制指令來(lái)進(jìn)行觸發(fā)。

　　3結語(yǔ)

　　本文通過(guò)硬件電路和軟件設計兩個(gè)方面對FPGA的多重配置方法進(jìn)行了詳細介紹，本文所介紹的多重配置方法靈活方便、易于操作、電路簡(jiǎn)單，在工程中有很高的應用價(jià)值，同時(shí)關(guān)于bit流壓縮的方法也值得參考。