基于SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建及應(yīng)用

1 引言
    隨著集成電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和集成度的提高，嵌入式系統(tǒng)由板級(jí)向芯片級(jí)過渡，形成一種新的設(shè)計(jì)方法一片上系統(tǒng)(System on Chip，簡稱SoC)。SoC從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路，直至器件的實(shí)際電路緊密連接起來，在單個(gè)(少數(shù)幾個(gè))芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。同時(shí)隨著現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)技術(shù)的日益成熟，將PLD與嵌入式處理器IP軟核相結(jié)合，形成基于可編程片上系統(tǒng)(System on Programmable Chip，簡稱 SOPC)的SoC解決方案，使得更加靈活的SOPC成為現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。SoPC是Altera公司提出的一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)成一種特殊的可編程片上嵌入式系統(tǒng)。一方面，它是可編程片上系統(tǒng)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要功能，并具備軟硬件系統(tǒng)可編程的能力；另一方面，它內(nèi)嵌處理器IP核，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，用戶可根據(jù)需要隨意配置、構(gòu)建、裁剪處理器IP核。目前最具有代表性的IP軟核嵌入式處理器是Altera的NiosII軟核。NiosII嵌入式CPU是一種專門為SoPC設(shè)計(jì)應(yīng)用而優(yōu)化的CPU軟核。
    在基于NiosII的SoPC嵌入式系統(tǒng)中，幾乎所有的應(yīng)用設(shè)計(jì)都需要使用Flash來保存在NiosII中運(yùn)行的程序代碼、非易失性數(shù)據(jù)和FPGA的配置數(shù)據(jù)。因此Flash編程便成為在調(diào)試完SoPC系統(tǒng)后的重要工作。要對Flash編程，首先要保證在SoPC Builder中Target選項(xiàng)區(qū)域的Board下拉列表框中選擇用戶使用的目標(biāo)板F1ash編程設(shè)計(jì)?；趯?shí)際設(shè)計(jì)需求，詳細(xì)介紹SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建，并以一個(gè)最小SoPC系統(tǒng)為例，說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的應(yīng)用及Flash編程。

2 Flash Programmer簡介
    NiosII IDE提供了Flash Programmer工具來對目標(biāo)板上遵循通用Flash接口(Common Flash Interface，簡稱CFI)，規(guī)范的Flash及EPCS配置器件進(jìn)行編程。IDE的FlashProgrammer通過使用Altera的下載電纜能夠方便地對目標(biāo)板上連接在FPGA上的Flash及串行配置器件EPCS進(jìn)行編程。
2．1 Flash Programmer編程工作過程
    NiosII的IDE Flash Programmer采用兩步驟將數(shù)據(jù)寫入Flash中。第一步，用一個(gè)Altera提供的特殊Flash編程設(shè)計(jì)(Flash Programmer Design)對FPGA進(jìn)行配置；第二步，IDEFlash Programmer將要編程到Flash中的文件內(nèi)容傳送到在FPGA上運(yùn)行的Flash編程設(shè)計(jì)，然后Flash編程設(shè)計(jì)將接收到的數(shù)據(jù)編寫到Flash中。其編程工作過程如圖1所示。

2．2 Flash編程設(shè)計(jì)
    Flash編程設(shè)計(jì)實(shí)際就是一個(gè)由SoPC Builder系統(tǒng)生成的最小FPGA設(shè)計(jì)。Flash編程設(shè)計(jì)是IDE Flash Programmer的關(guān)鍵組成部分。不同的目標(biāo)板往往使用不同的Flash器件，并且Flash與FPGA的引腳連接以及FPGA的型號(hào)也不相同。因此，每個(gè)Flash編程設(shè)計(jì)都是與具體的目標(biāo)板相聯(lián)系的，不能用于其他的目標(biāo)板。如果使用自己的目標(biāo)板，那么設(shè)計(jì)者必須創(chuàng)建該目標(biāo)板的Flash編程設(shè)計(jì)。Altem公司的Nios開發(fā)板都提供了相應(yīng)的Flash編程設(shè)計(jì)，可以在NiosII開發(fā)套件安裝目錄的、ipnios2_ip文件夾中找到。
2．3 Flash編程設(shè)計(jì)信息
    目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)描述了系統(tǒng)與目標(biāo)板之間的關(guān)系。目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)對Flash編程必不可少，它提供了Flash Programmer對Flash編程所需的全部信息。一個(gè)目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)是一組SOPC Builder文件，其中必須指明FPGA與Flash的連接關(guān)系。一個(gè)目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)包含下列信息：①每一個(gè)連接到電路板FPGA上的F1ash的參考元件標(biāo)號(hào)，如U7，U7Flash，U3EPCS等；②Flash器件在F1ash編程設(shè)計(jì)中的基地址；③用于配置目標(biāo)板上FPGA的Flash編程設(shè)計(jì)的SOF文件。
    參考元件標(biāo)號(hào)用于區(qū)分設(shè)計(jì)中不同的Flash器件。目標(biāo)板上的Flash器件在設(shè)計(jì)時(shí)的命名和基地址可能不同，但參考元件標(biāo)號(hào)總是相同的。

3 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建
    用戶自制目標(biāo)板，而在Target選項(xiàng)區(qū)中的Board下拉列表框中沒有相應(yīng)的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)，用戶就必須自己創(chuàng)建目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)。
3．1目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)文件創(chuàng)建
    下面以QuaausII 7．0為例，詳細(xì)說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建。目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)在SoPC Builder中實(shí)現(xiàn)。在QuaausII中新建一個(gè)工程，在[Tools]菜單中選擇[SoPC Builder]，打開Ahera SOPC Builder圖形編輯界面環(huán)境。在SoPC Builder圖形編輯界面中，在[File]菜單中選擇[New Board Description]，打開Board Description Editor對話框，在此對話框中選擇NetList頁面，在Device Familv欄中正確選擇目標(biāo)板的FPGA系列，這里以Cyclone II為例，如圖2所示。

    選擇Flash Memory頁面，單擊New Flash Memory按鈕添加目標(biāo)板的Flash器件，并輸入正確的連接到目標(biāo)板FPGA的參考元件標(biāo)號(hào)和Flash器件類型。參考元件標(biāo)號(hào)可命名為用戶的任意字符串，如U7，EPCS，F(xiàn)lash等，但不能命名成U7(CFIFlash)，U3(EPCS)等形式。再單擊此頁面的New HardwareImage按鈕，指定FPGA硬件配置程序的存儲(chǔ)位置，一般選擇EPCS器件。如果設(shè)置為Flash器件，需要有相應(yīng)的外部控制器、單片機(jī)或CPLD配合使用。設(shè)置如圖3所示。

    FPGA硬件配置可放在NOR Flash中，也可放在EPCS中。在Hardware Image Name欄下輸入硬件配置映像的名稱，如epcs，user，factory等。對于每一個(gè)Hardware Image Name，都要選擇一個(gè)用來存儲(chǔ)的Flash。如果用戶設(shè)計(jì)中，即采用EPCS，又采用NOR Flash對FPGA的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，則可在Hardware Image Name欄下輸入兩個(gè)硬件配置映像名，如user，factory，然后分別指定為前面的參考元件標(biāo)號(hào)；對于offset欄的設(shè)置，如果對應(yīng)的Device欄為Flash器件，則可以指定硬件映像在Flash中的編程偏移地址；如果對應(yīng)的Device欄為EPCS器件，則不能在offset欄中指定偏移地址。最后選擇Files頁面，輸入Board Description Name，Version和System Template，單擊Finish按鈕完成目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建，如圖4所示。

    System Template欄可通過Brows按鈕選擇設(shè)置的系統(tǒng)模板*．ptf(或者直接輸入)，也可不設(shè)置系統(tǒng)模板。如果設(shè)置系統(tǒng)模版，則系統(tǒng)模板需要存儲(chǔ)在目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)文件目錄下的system文件夾中。并且在構(gòu)建NiosII CPU時(shí)，當(dāng)選擇帶系統(tǒng)模板的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)自動(dòng)在SoPCBuilder圖形編輯界面添加系統(tǒng)模板帶的CPU組件。
    目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)成功創(chuàng)建后，在QuartusII工程目錄下會(huì)生成一個(gè)與Board Description Name相同的目錄。在此目錄下包含目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的文件class．ptf。文件夾下還包含兩個(gè)子文件夾，一個(gè)是system，設(shè)計(jì)者指定的系統(tǒng)模版便存放在此；另一個(gè)是netlist，存儲(chǔ)設(shè)計(jì)者提供的PCB網(wǎng)表文件，格式為wirelist。如果設(shè)計(jì)者不需要這兩個(gè)文件，則為空文件夾。
    對于Board Description Editor對話框中其他頁面的選項(xiàng)，與目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)描述沒有必要的關(guān)系。詳細(xì)內(nèi)容請參見Altera的數(shù)據(jù)手冊。
3．2 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)設(shè)置
    目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)成功創(chuàng)建后，為了在任何設(shè)計(jì)的SoPC Builder中都能使用，則可將生成的整個(gè)文件夾拷貝到NiosII開發(fā)套件安裝目錄的ipnios2_ip文件夾中，或者設(shè)置SoPC Builder的搜索路徑，配置Component／Kit Library SearchPath，增加用戶設(shè)計(jì)的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)目錄。然后關(guān)閉Ahera SoPC Builder重新啟動(dòng)SoPC Builder，就可以在SoPCBuilder圖形界面中的Target下拉列表框中找到創(chuàng)建的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)。

4 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的應(yīng)用
    以一個(gè)最小SoPC系統(tǒng)流水燈為例，說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)在實(shí)際Flash編程中的應(yīng)用。
4．1 NiosII CPU生成
    在Altera SoPC Builder圖形界面中，首先在Target選項(xiàng)區(qū)中Board下拉列表框中選擇剛創(chuàng)建的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)，并指定NiosII系統(tǒng)的時(shí)鐘。然后添加系統(tǒng)所需的外設(shè)元件，設(shè)置各外設(shè)元件的參數(shù)。分配Base Address和IRQ。添加完組件后如圖5所示。

    添加完組件后，在Nios II More“cpu”Settings中設(shè)置復(fù)位地址和異常地址。如果Nios程序下載到Flash中，則復(fù)位地址設(shè)為ext_flash；如果下載到EPCS中，則復(fù)位地址設(shè)為epcs_controller。最后在System Generation中點(diǎn)擊Generation按鈕生成NiosII CPU。
4．2 構(gòu)建最小SOPC系統(tǒng)
    在QuartusII中構(gòu)建最小SoPC系統(tǒng)。此SoPC系統(tǒng)由NiosII CPU模塊、PLL模塊和系統(tǒng)復(fù)位模塊組成。在系統(tǒng)的頂層模塊中分別添加SoPC Builder生成的NiosII CPU，PLL模塊及系統(tǒng)復(fù)位模塊構(gòu)成最小的SoPC系統(tǒng)。由于目標(biāo)板上時(shí)鐘是50 MHz，而構(gòu)建NiosII CPU時(shí)鐘設(shè)為80 MHz，故需通過Mega Wizard Plug-In Manager生成PLL模塊，將系統(tǒng)時(shí)鐘提高到80 MHz。添加完模塊后，再添加輸入／輸出端口，并連接引腳與端口，命名端口名(建議端口命名與實(shí)際電路中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)相同)。然后分配引腳，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。編譯工程生成FPGA的配置文件*.sof，并利用QuartusII的Programmer下載到FPGA或EPCS中。
4．3 Nios程序生成及Flash編程
    啟動(dòng)NiosII IDE，建立和編譯一個(gè)簡單的LED流水燈的Nios應(yīng)用程序。在Nios應(yīng)用程序調(diào)試正確后，單擊菜單[Tools]下的[Flash Programmer]，彈出Flash Programmer編程界面。選中Flash Programmer，單擊New按鈕創(chuàng)建一個(gè)FlashProgrammer配置。在Flash Programmer界面中選擇Main選項(xiàng)卡，設(shè)置Flash Programmer相關(guān)參數(shù)。
    如果選中Program software project into flash memory project項(xiàng)，表示將工程的*．elf文件寫入Flash(EPCS或CFI Flash)存儲(chǔ)器中。將*．elf文件寫入Flash的過程時(shí)，如果工程沒有編譯連接，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行工程的編譯連接。對于*．elf文件的編程，F(xiàn)lash Programmer窗口中并沒有存儲(chǔ)器和偏移地址的設(shè)置，存儲(chǔ)器和偏移地址由是SOPC Builder中Reset Address指向的存儲(chǔ)器和設(shè)置的偏移地址決定。如果將ResetAddress指向CFI F1ash．偏移地址從0x0HD開始，那么FlashProgrammer就會(huì)從CFI Flash的基地址+0x00開始燒寫數(shù)據(jù)；如果將Reset Address指向epcs_controller，偏移地址從Ox00開始，那么Flash Programmer就會(huì)從EPCS的基地址+配置數(shù)據(jù)空間+Ox00開始燒寫數(shù)據(jù)。
    如果選中Program FPGA configuration data into hardware-image region of flash memory，可將FPGA配置數(shù)據(jù)寫入Flash(EPCS或CFI Flash)。選擇作為硬件系統(tǒng)的FPGA配置文件*．sof，指定配置文件的硬件配置映像名及存儲(chǔ)的偏移地址。如果在制作目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)時(shí)，指定可將配置文件編程到CFIFlash，并指定多個(gè)偏移地址，此項(xiàng)就可選擇編程地址，從而將配置文件編程到用戶指定的存儲(chǔ)器地址空間。對于將配置文件編程到EPCS，偏移地址只能從Ox00開始。如果選擇Program file into a flash memory選項(xiàng)，能將指定的二進(jìn)制文件寫入指定的Flash(EPCS或CFI Flash)存儲(chǔ)地址空間。
    在Flash Programmer界面中選擇Target Connection選項(xiàng)卡，設(shè)置當(dāng)前所用的下載電纜及JTAG器件。然后單擊Program F1ash對Flash進(jìn)行編程(EPCS或CFIFlash)。如果看到圖6所示的提示消息，則Flash編程已經(jīng)成功，說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)創(chuàng)建成功。

5 結(jié)語
    實(shí)現(xiàn)SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建，并通過一個(gè)最小SoPC系統(tǒng)說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)在Flash編程中的應(yīng)用及Flash編程的方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)創(chuàng)建方法的正確性，并能對Flash編程。