基于FPGA片內Flash實現數據的動態加載和讀取*

周 剛，曹健輝，彭 勃

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

本項目中涉及到4個通道的射頻發射電路，頻段覆蓋225～400 MHz，射頻輸出幅度會隨著頻率的變化而變化。由于DA輸出屬于模擬電路，加之元器件的個體差異，常會導致相同電路、不同頻率射頻輸出幅度不一致。每個通道的輸出功率均有平坦度要求，因此每臺設備的4個通道均需根據實際輸出功率調整射頻輸出的衰減量，確定4個通道的衰減量后，編譯生成本臺設備的下載文件。根據經驗，一般1 MHz頻率內對應一個校正值。例如，175 MHz范圍只需175個矯正值即可。此種方式導致每臺設備的調試測試均需要重新編譯FPGA工程文件，工作量大且不利于FPGA程序的歸檔和使用。

考慮兩種改進方案。

方案一為傳統的FPGA+SPI Flash或者FPGA+CPLD+Flash設計方案。由于硬件已經開發完成，此方案的缺點在于需要修改硬件電路，增加單獨的Flash芯片或者CPLD芯片，因此實現難度較大，不建議采用。

方案二為直接利用Xilinx公司Spartan-3AN系列FPGA內含Flash進行設計改進。此FPGA內含16 MB內存的Flash，在PC中開發參數配置軟件，通過串口下載配置文件至FPGA中的片內Flash。因為FPGA自帶串行外圍設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI），FPGA每次開機后自動讀取片內Flash的配置文件，也可以根據需要從FPGA的片內Flash中讀取配置文件。

1 Spartan-3AN

1.1 Spartan-3AN主要特點

Spartan-3AN FPGA平臺是Xilinx公司于2007年推出的非易失性FPGA解決方案，基于成熟的90 nm工藝的低成本FPGA構架，融合了SRAM技術和可靠的非易失性閃存技術。

以XC3S1400AN-4FGG676I為例，Spartan-3AN FPGA平臺的主要特點如下[1］：

（1）工作溫度范圍：-40～100 ℃（結溫）；

（2）門數/乘積項：1 400 000門；

（3）最高工作頻率：250 MHz；

（4）傳輸延遲時間≤1.21 ns；

（5）最大用戶I/O數：502個；

（6）電源電壓：1.2 V；

（7）I/O端電壓：1.1～3.6 V；

（8）邏輯單元：25 344個；

（9）片內Flash容量：16 MB。

1.2 Spartan-3AN片內Flash特點

Flash又稱為閃存，具有可電擦寫、掉電后數據不丟失的特性，且容量大、功耗低、速度快，在現代電子產品中應用廣泛[2］。

以XC3S1400AN-4FGG676I為例，Spartan-3AN系列FPGA中片內Flash的主要特點如下[1］：

（1）片內Flash容量：16 MB；

（2）SRAM頁面緩沖區：2個；

（3）較小的空間（264 B或528 B）存儲非易失性數據；

（4）隨機存取，二進制地址可設置；

（5）最大66 MHz連續數據傳輸；

（6）支持全部擦除、塊擦除和扇區擦除；

（7）重點區域數據具備保護功能和防護措施；

（8）128 B安全存儲空間；

（9）支持100 000次擦寫；

（10）Flash數據可保存20年；

（11）支持多種Flash使用方式。

Spartan-3AN系列FPGA內部結構，如圖1所示[3］。

圖1 Spartan-3AN系列FPGA內部結構

Spartan-3AN系列FPGA中片內Flash的配置接口，如圖2所示。

圖2 Spartan-3AN系列FPGA中片內Flash的配置接口

1.3 SPI接口

SPI是由Motorola公司推出的一種高速、全雙工的同步串行通信總線，可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信并交換信息。SPI接口主要有4根信號線：時鐘信號線（CLK）、主輸出/從機輸入數據線（MISI）、主輸入/從機輸出數據線（MISO）和片選信號線（CSB）[4］。SPI接口框圖如圖3所示[5］。

圖3 SPI接口

目前，Spartan-3AN等FPGA內含Flash模塊，支持SPI接口。對于Spartan-3AN，FPGA是SPI主器件，SPI Flash PROM是從器件。

2 系統架構

本文構建了一個通過SPI接口實現FPGA片內Flash數據動態加載和讀取的系統，系統架構如圖4所示。

圖4 系統架構

系統校正值寫入流程，如圖5所示。

圖5 校正值寫入流程

系統校正值讀取流程，如圖6所示。

圖6 校正值讀取流程

2.1 ISF Flash控制

SPI_ACCESS原語用來連接FPGA應用層和系統Flash。使用中，FPGA應用層是主，系統Flash是從。該原語包括MISO、MOSI、CSB和CLK四個管腳。

MISO：主入從出，串行數據從系統Flash存儲空間中輸出至FPGA應用層邏輯；

MOSI：主出從入，串行數據從FPGA應用層邏輯中輸出至系統Flash存儲空間；

CSB：系統Flash片選使能信號，低電平有效；

CLK：系統Flash操作時鐘，由FPGA應用層邏輯給出。

SPI_ACCESS原語屬性定義包括以下內容：

（1）SIM_DVICE：用來定義目標芯片類型，type為String，本實現中賦值“3S1400AN”；

（2）SIM_USE_ID：用來定義SPI存儲器安全寄存器中的編程用戶ID，type為16進制數據，本實現中賦值“0XFF”；

（3）SIM_MEM_FILE：用來指定存儲初始化值的文件，type為String，本實現中賦值“NONE”；

（4）SIM_FACTORY_ID：用來指定安全寄存器中的用戶識別號，type為16進制數據，本實現中賦值“0X00”；

（5）SIM_DELAY_TYPE：用來指定仿真延時類型，type為String，本實現中賦值“SCALED”。

2.2 ISF Flash地址分配策略

XC3S1400AN內部SPI FLASH基礎構成是page。page是系統FPGA中的最小可擦除單元，每個page包含528個字節，8個page可組成一個block，32個block組成一個sector。

應用層可針對page、block和sector單獨進行擦除操作，并且可對sector單獨進行鎖住和保護。內部SPI Flash存儲結構如圖7所示。

圖7 內部SPI Flash存儲結構

XC3S1400AN系列FPGA的默認尋址方式，如圖8所示[5］，本文即采用這種默認地址分配模式。

2.3 ISF Flash讀寄存器

狀態寄存器讀取命令時序，如圖9所示[5］。

圖8 XC3S1400AN FPGA默認尋址方式

圖9 狀態寄存器讀取命令時序

（1）在開始發送讀取命令前，CSB必須開始拉低，并在整個讀取過程中一直保持低電平；

（2）讀取狀態寄存器命令為0XD7，并伴隨時鐘下降沿以二進制形式“11010111”傳至MOSI；

（3）系統Flash伴隨時鐘上升沿捕捉傳來的數據；

（4）在狀態結果輸出之前，MISO一直保持高電平；

（5）在讀取命令傳輸完畢后，系統存儲器伴隨時鐘下降沿將狀態寄存器內的內容一一輸出，高位在前，低位在后；

（6）FPGA應用層伴隨時鐘上升沿捕捉系統存儲器的狀態信息；

（7）在系統存儲器狀態信息讀取完畢后，將CSB拉高，結束讀取過程。

2.4 ISF Flash讀數據命令

系統Flash讀取命令有多種讀取方式，包括快速讀取、自由讀取、頁緩存至Buffer讀取和Buffer讀取等。本應用采取自由讀取，原因是快速讀取適合小數據量、自由讀取；讀取數據無延時，讀取時鐘可達33 MHz，滿足本系統的使用需求。

讀取命令格式及要求如表1所示。

表1 讀取命令格式及要求

注意事項：

（1）讀取輸出數據無延時；

（2）當CSB保持低電平時，MISO數據隨時鐘下降沿串行輸出，高位先出，地址會自動增加，無需人為控制；

（3）當CSB拉高時，結束數據讀取操作。

讀取命令的Chipscope截圖，如圖10所示。

2.5 ISF Flash寫數據命令

系統Flash讀取命令有多種讀取方式，包括Buffer寫、頁擦除Buffer寫、頁不擦除Buffer寫、頁Buffer寫、頁Buffer比對和自動頁寫。本應用采取頁Buffer寫，原因是頁Buffer寫是將Buffer寫和Buffer頁擦除合二為一，用一條指令就完成了兩個操作，減少了命令條數，簡化了操作步驟，降低了出錯概率，提高了寫數據的效率。

寫數命令格式及要求如表2所示。

表2 寫數命令格式及要求

寫數命令的Chipscope截圖，如圖11所示。

圖11 寫數命令的Chipscope截圖

2.6 ISF Flash擦除命令

擦除有三種擦除模式：頁擦除、block擦除和sector擦除。為防止sector誤擦除和非授權的擦除，可實現sector保護和sector鎖住。

頁擦除、block擦除和sector擦除命令格式及要求如表3所示。

表3 擦除命令格式及要求

擦除完畢后，相應擦除存儲空間里的數據為0XFF。

2.7 ISF Flash Sector保護命令

Sector保護寄存器狀態讀取：相應的命令控制字為0X32。

Sector保護寄存器擦除：相應的命令控制字為0X3D+0X2A+0X7F+0XCF。

Sector保護寄存器擦除格式如表4所示。

表4 Sector保護寄存器擦除格式

擦除Sector保護寄存器后，Sector保護寄存器每個字節的值變為0XFF，代表所有的Sector均被保護。

Sector保護寄存器寫入：相應的命令控制字為0X3D+0X2A+0X7F+0XFC。

Sector保護寄存器寫入格式如表5所示。

表5 Sector保護寄存器寫入格式

Sector保護寄存器讀出：相應的命令控制字為0X32。

Sector保護寄存器讀取格式如表6所示。

表6 Sector保護寄存器讀取格式

Sector保護寄存器使能：相應的命令控制字為0X3D+0X2A+0X7F+0XA9。

Sector保護寄存器寄存器使能格式如表7所示。

表7 Sector保護寄存器使能格式

Sector保護寄存器禁用：相應的命令控制字為0X3D+0X2A+0X7F+0X9A。

Sector保護寄存器禁用格式如表8所示。

表8 Sector保護寄存器禁用格式

2.8 參數配置軟件

參數配置軟件布置于一臺普通PC中，通過串口與射頻控制模塊的FPGA相連，實現COM選擇、通道選擇、參數文件的讀取和存儲。參數配置軟件截圖如圖12所示。

圖12 參數配置軟件截圖

3 實現過程

制備顯控小軟件一個，該軟件具備以下功能：能通過RS232協議與FPGA應用層進行通信；可下發系統Flash擦除、寫入、回讀和sector保護功能等；可將要寫入的數據和地址一一對應保存在文本文件中；待寫入完畢后，進行寫入數據回讀并一一比對，判定是否寫入成功。若寫入成功，則結束燒寫；失敗則再重寫，直到燒寫成功。

系統FPGA應用軟件一套，該軟件具備以下功能：能通過RS232協議與FPGA應用層進行通信，能正確接收顯控下發的命令信息，執行相應的系統Flash擦除、寫入、回讀和sector保護等操作。在系統上電后，該系統運行后稍做延時，會執行從Flash讀數據的操作，根據系統需要將讀取到的數據保存至雙口RAM，待程序需要該數據時會根據索引從相應的RAM地址中讀取數據并使用，增加了系統應用的靈活性。

當系統程序控制DA發射射頻時，系統會根據發射頻率計算應該取雙口RAM哪個地址中的矯正值。例如，發射頻率范圍為200～400 MHz，則200～201 MHz對應的矯正值保存在第1個地址中，201～202 MHz對應的矯正值保存在第2個地址中；以此類推，399～400 MHz對應的矯正值保存在第200個地址中，400 MHz對應的矯正值保存在第201個地址中。具體實現中，讀校正值地址可通過addr=(Freqence-200 000 000)/1 000 000計算，即對結果取整獲取所需的地址值；其他的讀操作邏輯控制相應的給出，即可正確讀出校正值。然后，矯正值被提出并轉化為對應頻率的功率補償，進而實現DA輸出幅度的平坦性。

4 試驗驗證

參數配置軟件寫入截圖，如圖13所示。

參數配置軟件讀取截圖，如圖14所示。

5 結 語

本文設計并實現了一種基于FPGA片內Flash進行數據加載和讀取的方法：以裝在普通PC中的參數配置軟件作為配置主控制器，通過串口對FPGA片內的Flash進行控制，成功實現了對FPGA的數據動態加載和讀取。

在應用該系統前，需根據每個頻率測量求得一個校正值，并將校正值寫入系統應用程序中。這樣做的缺點是：針對每臺設備校正值不同，需要重新修改源代碼中相應的校正值，并對源代碼進行編譯燒寫。這樣不便于程序的版本控制，需對每臺設備準備一套與之對應的版本程序，給設備后期維護帶來了較大不便，尤其當設備大批量生產時。

圖13 寫入截圖

圖14 讀取截圖

應用該系統后，程序版本只需要一個版本，矯正值會存入Flash中，并可以根據DA發射頻率將校正值讀取出使用。后期設備維修維護時只需讀出Flash中的校正值并保存至文本文件。硬件更換后，根據需要修改更換后硬件部分對應的校正值，并再次保存歸檔。當新的矯正數據寫入完畢后，還可通過回讀命令自動進行校正值的回讀和比對，確保矯正值完全讀寫正確，提高了設備的穩定性，簡化了操作的復雜性，節省了大量人力，尤其在設備大批量生產時。