六、擴展NOR FLASH

賽靈思的Spartan-3E Starter Kit開發板板上載有Intel的16 MByte (128 Mbit) 并行NOR Flash，FLASH的型號為28F128J3，詳細地DATA SHEET網上可以找到來參考。在EDK的硬件上我們使用XILINX的XPS Multi-CHannel External Memory Controller（XPS MCH EMC）接口IP來連接FLASH。 如果我們用BSB建立工程的話，選擇了Spartan-3E Starter Kit開發板后在下面的步驟里直接鉤選FLASH就可以了，這樣比較方便。如果是在已有工程的IP Catalog里添加IP，還必須指定引腳的連接情況和PAD位置，具體的PAD位置參考賽靈思的文檔UG230：Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide的第11章。在XPS界面左邊的Project欄下面的Project file的UCF文件內指定管腳，稍為麻煩一下，推薦由第一種方法直接通過BSB建立工程。具體IP核的使用請參考賽靈思文檔：XPS Multi-CHannel External Memory Controller Product Specification.pdf。
賽靈思的Spartan-3E Starter Kit開發板上的XC3S500E FPGA支持BPI（Byte Peripheral Interface）配置模式。要實現BPI方式配置，首先要對Spartan-3E Starter Kit開發板J30進行跳線，具體可以參考賽靈思文檔UG230：Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide第89頁的表11-4。選用BPI UP（BPI DOWN）模式，FPGA配置數據應該放在FLASH的低（高）地址空間，這里注意下28F128J3 FLASH有×8（數據總線寬度為8位，這時數據總線高8位沒有用，數據放在總線低8位）和×16（數據總線寬度為16位）兩種工作模式。配置時應工作在×8模式，配置完成后，我們把它設置為×16模式，這是通過FLASH的BYTE#引腳選擇，BYTE#引腳為低電平時為選擇×8工作模式，為高電平時為選擇×16工作模式。BYTE#引腳是連接到FPGA的LDC2（C17）腳位。配置比特流文件首先通過iMPCT工具轉換成MCS文件，具體步驟為：選擇Prepare a PROM File后按NEXT，選擇Generic Parallel PROM和MCS文件格式，指定生成文件的名字和保存位置按NEXT，在按NEXT后進入選擇PROM器件界面，選擇PROM大小為16M和Create BPI-Mode PROM后按NEXT選擇要轉換的BIT文件就可以了。然后我們可以通過賽靈思的PicoBlaze NOR Flash Programmer（）下載到FLASH中，當然我們也可以自己用MicroBlaze處理器編寫一個燒寫FLASH的工程來下載MCS文件到FLASH，但都不如直接使用來的方便，有興趣的朋友也可以研究或修改PicoBlaze NOR Flash Programmer工程，里面有PicoBlaze的匯編源程序。
介紹下MicroBlaze工程編譯后的目標代碼段的組成：
.text: 存放指令代碼。
.rodata: 存放只讀的變量。
.data：存放帶初始值的全局與靜態變量
.sdata:：存放小的帶初始值的全局與靜態變量
.sdata2: 存放小的帶初始值的全局與靜態變量
.bss: 存放無初始值的全局與靜態變量
.sbss: 存放小的無初始值的全局與靜態變量
.sbss2: 存放小的帶初始值的全局與靜態變量
我們準備在NOR FLASH上面直接執行程序，所以要把只讀的段（包括.text、.rodata、.sdata2、.sbss2）定義到FLASH地址空間，把其它的段都定義到FPGA片內的BRAM。
下面以一個實際例子來介紹具體步驟：
1．首先按上節的步驟建立一個XPS工程和應用程序，在BSP階段的外設選擇時把FLASH加上，這時系統自動添加了XPS MCH EMC接口IP。
2．我們先把所有段還是放在BRAM內，編譯下載后可以看到LED在跑流水燈。
3．配置XPS MCH EMC接口IP用PLB連接到MicroBlaze處理器，無MCH通道，其它為默認。
4．點擊XPS界面左邊的工程名，在右鍵彈出菜單里選擇Generate Linker Script，在彈出對話框中可以選擇段的存放空間，把只讀的段.text、.rodata、.sdata2、.sbss2選擇到FLASH_C_MEM0_BASEADDR, 其它段選擇到ilmb_cntlr_dlmb_ cntlr，然后重新編譯工程，產生可執行的鏈接文件（ELF文件）。
5．把第4步生成的executable.elf拷到工程目錄，然后在XPS界面選擇Project → Launch EDK Shell，在命令行輸入下面命令：
mb-objcopy \
--set-section-flags .text=alloc,readonly,code \
--set-section-flags .init=alloc,readonly,code \
--set-section-flags .fini=alloc,readonly,code \
--set-section-flags .text=alloc,readonly,code \
--set-section-flags .rodata=alloc \
--set-section-flags .sdata=contents \
--set-section-flags .sbbs=contents executable.elf volatile.elf
這可以把在BRAM中的內容存儲volatile.elf文件。
再在命令行輸入下面命令：
mb-objcopy –O binary -j .text –j .fini –j .init –j rodata –j sdata2 –j .sbss2 executable.elf flash.bin
這可以把在FLASH中的內容存儲flash.bin文件。
6.把flash.bin文件燒到FLASH中，這可以通過上面的PicoBlaze NOR Flash Programmer工程用串口下載，也可以用XPS界面選擇Device Configuration → Program Flash Memory下載, 注意不用XPS生成BootLoad。
7．把第五步生成的volatile.elf改名為executable.elf覆蓋第4步生成的executable.elf文件。
然后用XPS界面選擇Device Configuration → Updata Bitstream和Device Configuration → Download Bitstream把BRAM中的內容與FPGA配置數據下載到FPGA。
現在又可以看到LED在跑流水燈了，但明顯可以看到速度要慢多了，說明程序是在NOR FLASH上執行的。如果速度要求不高的話，擴展一塊NOR FLASH來存儲代碼與數據已經足夠了，否則我們需要再擴展一塊RAM，把代碼與數據存儲在RAM上速度比較快，同時需要一個BOOTLAOD工程用作上電時實現把代碼與數據從FLASH上搬移到RAM的功能。
最后提一下，如果BRAM的內容與FPGA配置數據要存儲到FLASH上供上電時用BPI方式下載，要注意存儲配置數據的地址空間和應用程序的地址空間不能重疊，一個簡單的方法是選用BPI DOWN模式，把配置數據放在FLASH最后面的空間，當然我們也可以用分頁的方法解決。