摘要：本文主要介紹MicroBlaze在 FPGA中的應(yīng)用，并結(jié)合實際工程介紹如何設(shè)計MicroBlaze微處理器與BPI Flash接口以及如何提高BPI Flash的燒寫速度，同時也簡單介紹利用MicroBlaze微控制器實現(xiàn)FPGA的動態(tài)可重構(gòu)。

Xilinx公司很早就推出在FPGA中內(nèi)嵌微控制器的解決方案。MicroBlaze作為一款可配置的微控制器可以通過軟件的方式配置到FPGA內(nèi)部，用于解決一些對速度要求不高但控制相對較復(fù)雜的應(yīng)用。

隨著半導(dǎo)體工藝的進步，F(xiàn)PGA芯片的容量越來越大，隨之對外部配置Flash的容量要求也越來越高；Flash作為FPGA上電的配置芯片，其加載數(shù)據(jù)的大小影響著FPGA的上電配置時間，大容量的FPGA芯片意味著需要花更多的時間完成加載，傳統(tǒng)的串行加載的方式已經(jīng)滿足不了系統(tǒng)對加載時間的苛刻要求，BPI（Byte-wide Peripheral Interface） Flash采用并行（8bit、16bit）方式為FPGA提供上電加載數(shù)據(jù)，大大地縮短了FPGA的加載時間，因此，也越來越多地在工程中被采用。

在很多的實際工程中，由于所處的應(yīng)用環(huán)境不同，需要FPGA在不同的環(huán)境下實現(xiàn)不同的功能，此時需要FPGA芯片自身能夠動態(tài)地更新加載Flash中的內(nèi)容，并完成自身配置數(shù)據(jù)的重加載，該過程就是FPGA的可重構(gòu)能力。

1 硬件設(shè)計舉例
如圖1所示是一個基于MicroBlaze微控制器與BPI Flash接口的簡單應(yīng)用框圖。從圖1中我們能夠看出，利用MicroBlaze可以直接控制外部的加載Flash芯片，F(xiàn)PGA的內(nèi)部功能邏輯可以通過MicroBlaze間接地訪問BPI Flash芯片，實現(xiàn)對BPI Flash內(nèi)部數(shù)據(jù)進行讀寫操作。

圖1:基于MicroBlaze的BPI Flash應(yīng)用

圖2：BPI Flash燒寫原理框圖

Virtex-6、Virtex-7等系列FPGA芯片的配置容量在逐步增大，有的型號配置容量已經(jīng)超過128Mb，如果過超過128Mb配置大小的FPGA芯片，需要使用第三方廠家提供的BPI Flash芯片作為FPGA的上電加載芯片，采用BPI Flash作為FPGA的上電配置芯片優(yōu)點有：（1）能夠縮短FPGA上電加載的時間（2）除去加載所需的Flash空間，剩余的空間可以用于存儲應(yīng)用數(shù)據(jù)，缺點是占用太多的FPGA管腳。

FPGA的上電配置數(shù)據(jù)需要通過iMPACT軟件寫入到BPI Flash中，由于iMPACT軟件對第三方BPI Flash芯片的支持不是很好，采用字節(jié)燒寫方式，需要花較多的時間完成Flash的燒寫，例如，對于一個70MB的MCS文件需要花費8062秒完成燒寫。

對于通用的Flash芯片都有緩沖編程操作命令，在該模式下，將燒寫的數(shù)據(jù)按照緩沖區(qū)的大小發(fā)送給Flash芯片，F(xiàn)lash芯片將內(nèi)部緩存區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到芯片內(nèi)部，這種編程方式比字節(jié)編程方式能夠顯著提高Flash芯片的燒寫速度，從而大大縮短了配置文件的燒寫時間，下面介紹一種方式來提高Flash的燒寫時間。

2 典型設(shè)計介紹
Xilinx提供了EDK（Embedded Develop ment Kit嵌入式開發(fā)套件）可以進行MicroBlaze控制器的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)。如圖2所示，在FPGA中構(gòu)建一個最小的MicroBlaze系統(tǒng)，其中串口是用于和計算機進行通信，計算機將需要燒寫的配置文件解析后通過串口下發(fā)給MicroBlaze，Microblaze將收 到的數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)部存儲器中，當(dāng)接收到一定量的數(shù)據(jù)后，對BPI Flash采用緩沖編程方式進行燒寫；若串口的通訊速率為115200bit每秒，折合成字節(jié)寬度（8bit）為每秒傳輸11520Bytes，按照Flash數(shù)據(jù)手冊中給出的緩沖編程的速度為1.46Mbyte/s計算，對于一個70MB的MCS文件經(jīng)過解析后的燒寫時間為2257秒，考慮到軟件之間的交互等影響，實際的燒寫時間可能會長點，但采用這種方法燒 寫配置文件比采用Xilinx提供的iMPACT軟件明顯快很多。

在上面的典型設(shè)計介紹中我們采用了串口與計算機進行通信，由于串口速率與Flash的編程速度不匹配，造成較多時間花在與計算機進行數(shù)據(jù)通信上，如果能夠提高MicroBlaze與計算機的通信速率，那么Flash的燒寫速度還能夠進一步提高，比如采用USB、網(wǎng)絡(luò)、并口等方式與計算機進行通信，則能夠充分發(fā)揮緩沖編程的優(yōu)勢,能夠進一步提高BPI Flash的燒寫速度。

采用MicroBlaze與BPI Flash進行通信，能夠簡化與Flash的接口設(shè)計，如果需要在線對FPGA的加載程序進行修改，只需要設(shè)計FPGA功能模塊與MicroBlaze之間的通信，利用MicroBlaze將配置文件寫入外部的BPI Flash中，再利用IPROG實現(xiàn)程序的自動加載，從而實現(xiàn)FPGA的在線可重構(gòu)和自動加載。