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)由板級向芯片級過渡，形成一種新的設(shè)計方法一片上系統(tǒng)(System on Chip，簡稱SoC)。SoC從整個系統(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，直至器件的實際電路緊密連接起來，在單個(少數(shù)幾個)芯片上實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。同時隨著現(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、存儲器、I／O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個可編程器件上，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)，即由單個芯片完成整個系統(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)計都需要使用Flash來保存在NiosII中運行的程序代碼、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?；趯嶋H設(shè)計需求，詳細(xì)介紹SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的創(chuàng)建，并以一個最小SoPC系統(tǒng)為例，說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的應(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Altera提供的特殊Flash編程設(shè)計(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上運行的Flash編程設(shè)計，然后Flash編程設(shè)計將接收到的數(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
Flash編程設(shè)計實際就是一個由SoPC Builder系統(tǒng)生成的最小FPGA設(shè)計。Flash編程設(shè)計是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的型號也不相同。因此，每個Flash編程設(shè)計都是與具體的目標(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)計者必須創(chuàng)建該目標(biāo)板的Flash編程設(shè)計。Altem公司的Nios開發(fā)板都提供了相應(yīng)的Flash編程設(shè)計，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)計信息
目標(biāo)板Flash編程設(shè)計描述了系統(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。一個目標(biāo)板Flash編程設(shè)計是一組SOPC Builder文件，其中必須指明FPGA與Flash的連接關(guān)系。一個目標(biāo)板Flash編程設(shè)計包含下列信息：①每一個連接到電路板FPGA上的F1ash的參考元件標(biāo)號，如U7，U7Flash，U3EPCS等；②Flash器件在F1ash編程設(shè)計中的基地址；③用于配置目標(biāo)板上FPGA的Flash編程設(shè)計的SOF文件。
參考元件標(biāo)號用于區(qū)分設(shè)計中不同的Flash器件。目標(biāo)板上的Flash器件在設(shè)計時的命名和基地址可能不同，但參考元件標(biāo)號總是相同的。
3 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的創(chuàng)建
用戶自制目標(biāo)板，而在Target選項區(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，用戶就必須自己創(chuàng)建目標(biāo)板Flash編程設(shè)計。
3．1目標(biāo)板Flash編程設(shè)計文件創(chuàng)建
下面以QuaausII 7．0為例，詳細(xì)說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的創(chuàng)建。目標(biāo)板Flash編程設(shè)計在SoPC Builder中實現(xiàn)。在QuaausII中新建一個工程，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)號和Flash器件類型。參考元件標(biāo)號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Hardware Image Name，都要選擇一個用來存儲的Flash。如果用戶設(shè)計中，即采用EPCS，又采用NOR Flash對FPGA的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，則可在Hardware Image Name欄下輸入兩個硬件配置映像名，如user，factory，然后分別指定為前面的參考元件標(biāo)號；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)模板需要存儲在目標(biāo)板Flash編程設(shè)計文件目錄下的system文件夾中。并且在構(gòu)建NiosII CPU時，當(dāng)選擇帶系統(tǒng)模板的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計時，會自動在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)計成功創(chuàng)建后，在QuartusII工程目錄下會生成一個與Board Description Name相同的目錄。在此目錄下包含目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的文件class．ptf。文件夾下還包含兩個子文件夾，一個是system，設(shè)計者指定的系統(tǒng)模版便存放在此；另一個是netlist，存儲設(shè)計者提供的PCB網(wǎng)表文件，格式為wirelist。如果設(shè)計者不需要這兩個文件，則為空文件夾。
對于Board Description Editor對話框中其他頁面的選項，與目標(biāo)板Flash編程設(shè)計描述沒有必要的關(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)計設(shè)置
目標(biāo)板Flash編程設(shè)計成功創(chuàng)建后，為了在任何設(shè)計的SoPC Builder中都能使用，則可將生成的整個文件夾拷貝到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)計的目標(biāo)板Flash編程設(shè)計目錄。然后關(guān)閉Ahera SoPC Builder重新啟動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。
4 目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的應(yīng)用
以一個最小SoPC系統(tǒng)流水燈為例，說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計在實際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，并指定NiosII系統(tǒng)的時鐘。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)板上時鐘是50 MHz，而構(gòu)建NiosII CPU時鐘設(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(建議端口命名與實際電路中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號相同)。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NiosII IDE，建立和編譯一個簡單的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FlashProgrammer配置。在Flash Programmer界面中選擇Main選項卡，設(shè)置Flash Programmer相關(guān)參數(shù)。
如果選中Program software project into flash memory project項，表示將工程的*．elf文件寫入Flash(EPCS或CFI Flash)存儲器中。將*．elf文件寫入Flash的過程時，如果工程沒有編譯連接，會自動進(jìn)行工程的編譯連接。對于*．elf文件的編程，F(xiàn)lash Programmer窗口中并沒有存儲器和偏移地址的設(shè)置，存儲器和偏移地址由是SOPC Builder中Reset Address指向的存儲器和設(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的偏移地址。如果在制作目標(biāo)板Flash編程設(shè)計時，指定可將配置文件編程到CFIFlash，并指定多個偏移地址，此項就可選擇編程地址，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，能將指定的二進(jìn)制文件寫入指定的Flash(EPCS或CFI Flash)存儲地址空間。
在Flash Programmer界面中選擇Target Connection選項卡，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)計創(chuàng)建成功。
5 結(jié)語
實現(xiàn)SoPC目標(biāo)板Flash編程設(shè)計的創(chuàng)建，并通過一個最小SoPC系統(tǒng)說明目標(biāo)板Flash編程設(shè)計在Flash編程中的應(yīng)用及Flash編程的方法。通過實驗驗證了目標(biāo)板Flash編程設(shè)計創(chuàng)建方法的正確性，并能對Flash編程。