《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建及應(yīng)用
摘要: 實(shí)現(xiàn)SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建,并通過(guò)一個(gè)最小SoPC系統(tǒng)說(shuō)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(guò)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(duì)Flash編程。
關(guān)鍵詞: SoPC Flash NiosII
Abstract:
Key words :

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(guò)渡,形成一種新的設(shè)計(jì)方法一片上系統(tǒng)(System on Chip,,簡(jiǎn)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(lái),,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(chǎng)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(jiǎn)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(shì),。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(lái)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(duì)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),。基于實(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(shuō)明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的應(yīng)用及Flash編程。

2 Flash Programmer簡(jiǎn)介

NiosII IDE提供了Flash Programmer工具來(lái)對(duì)目標(biāo)板上遵循通用Flash接口(Common Flash InteRFace,,簡(jiǎn)稱CFI),,規(guī)范的Flash及EPCS配置器件進(jìn)行編程。IDE的FlashProgrammer通過(guò)使用Altera的下載電纜能夠方便地對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)Flash編程必不可少,,它提供了Flash Programmer對(duì)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(méi)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(shuō)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(duì)話框,在此對(duì)話框中選擇NetList頁(yè)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(yè)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(yè)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(duì)于每一個(gè)Hardware Image Name,,都要選擇一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)的Flash,。如果用戶設(shè)計(jì)中,,即采用EPCS,又采用NOR Flash對(duì)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(duì)于offset欄的設(shè)置,如果對(duì)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(duì)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(yè)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(guò)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(duì)于Board Description Editor對(duì)話框中其他頁(yè)面的選項(xiàng),,與目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)描述沒(méi)有必要的關(guān)系,。詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)Altera的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

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(shuō)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(guò)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(jiǎn)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(guò)程時(shí),,如果工程沒(méi)有編譯連接,,會(huì)自動(dòng)進(jìn)行工程的編譯連接。對(duì)于*.elf文件的編程,,F(xiàn)lash Programmer窗口中并沒(méi)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(duì)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(duì)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(shuō)明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)創(chuàng)建成功,。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計(jì)的創(chuàng)建,并通過(guò)一個(gè)最小SoPC系統(tǒng)說(shuō)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(guò)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(duì)Flash編程。 

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