使用VHDL实现Flash读写控制器设计

首先抛出重点：使用Xilinx的平台，最大的难点在于，要自己设计一个Flash读写控制器

具体如何设计一个合适的Flash读写控制器，鉴于Flash有诸多型号诸多接口，设计需求也不尽相同，所以这里不详细论述了。文本讨论一些与Xilinx FPGA相关的、大概率会遇到的问题。

这个Xapp的附件中，有一个用VHDL实现的Flash读写控制器设计可以参考。设计提供了源代码。

关于这一篇，xapp1081，有几点需要注意：

1.这一篇文档的重点不是Flash读写控制器，提供的Flash读写控制器代码在文档中没有详细说明。

2.提供的Flash读写控制器只针对文档中提到的特定用法。如果有更换FPGA、Flash等任何改变，均不保证能正常工作。

3.Xilinx默认对Xapp不提供任何官方支持。

自行设计Flash读写控制器的优势是：

1.理论上可以通过修改设计来支持任何Flash，不用担心兼容问题。

2.在时钟、数据位宽、Flash操作命令等方面更灵活，可以充分挖掘FPGA和Flash的潜力。

假设已经有了Flash读写控制器的RTL设计，下一步应该是集成到FPGA设计中，其中主要的工作是连接FPGA I/O。

Pin安排

对于Xilinx的平台的配置Pin，一般分为两类，专用和复用。专用Pin是指只能用于配置模式，用户无法(或者不方便)直接控制Pin的行为。复用Pin是指加载完成之后，这个Pin会变为User I/O，即和普通的User I/O一样，可以由加载后的FPGA设计来控制Pin的行为。

控制Flash的配置Pin，基本都是复用类型Pin。在配置完成之后，都可以作为用户可控的User I/O。所以可以设计一个Flash读写控制器，连接到这些Pin上。这样FPGA在加载之前和加载的过程中，这些Pin工作在配置模式，从Flash中读取配置数据;在加载完成之后，这些Pin变为User I/O模式，由读写控制器设计控制进行读写操作。

需要注意的是配置时钟的处理。部分FPGA的CCLK是复用模式，加载完成之后可以作为User I/O。内部通过ODDR输出时钟即可提供Flash需要的时钟。但是另外一部分FPGA的CCLK是专用Pin，用户无法直接控制。这个时候可以查查是否有STARTUP这个模块，往这个模块的 USRCCLKO Port上送某个时钟，就等于CCLK Pin上输出这个时钟。

假设现在Flash读写控制器已经集成到FPGA中了，数据的握手传输也完成了。那么下一步，就是，把什么数据往Flash中写入了。

这个问题Xilinx的处理就方便多了。最简单的方案，是写入bin文件。不过即使是bin文件，也可能会犯错。下面分析一下Xilinx的配置文件。

Xilinx常用的配置文件格式有三个(大部分情况下知道这三个就足够了)：bit/bin/mcs

直接写入Flash的数据，对应的是bin文件。bin文件和bit文件都是二进制格式，bin文件直接对应Flash中的二进制数据。

下面用A7 100T为例子，生成一个bit文件作为基准。分析一下三种文件。

默认的情况下没有任何约束，生成的bit文件作为基准，取名为original.bit。

在Vivado工程生成bit的同时，可以同时生成一个bin文件，取名original.bin。

另外，当获取bit文件之后，可以使用write_cfgmem命令来生成bin文件和MCS文件。这种方法生成的bin文件，在默认情况下，取名g.bin，可以发现g.bin和original.bin两个文件不太一样。不过如果在使用write_cfgmem命令时添加参数 -interface SPIx1，生成文件spix1.bin，会发现spix1.bin和original.bin两个文件几乎一样。

这个原因就是，write_cfgmem这个命令生成的文件是给Flash使用的。所以生成的文件内容会随着Flash配置的改变而改变。

默认情况下，生成的bit文件original.bit是原始文件，伴随生成的bin文件original.bin是直接转为bin文件，不包含针对Flash的配置。

而write_cfgmem生成的bin文件，默认情况下认为Flash接口格式为SMAPX8(可以参考同时生成的.prm文件)，所以生成的bin文件g.bin做了相关处理(一般是位序和大小端的转换)。而SPI模式下，不需要额外的转换，所以生成的bin文件spix1.bin和original.bin几乎一样。

类似，如果选择BPIx8模式生成BPIx8.bin，可以发现和SMAPX8模式下的g.bin文件几乎一样。

所以可以明确，生成bit文件时生成的bin文件并不含有配置的相关信息。如果需要使用bin文件，那么用write_cfgmem，并同时提供相关配置接口信息，是更好的方案。上文提到的使用bin文件时可能会犯错，就在于此。

至于MCS文件，由于是文本格式，所以直接读取文件的数据是无法直接写入Flash的，需要进行一定程度的转换。如果仅仅是远程更新中烧录Flash的操作，那么可能用不到这个MCS文件。

注：三种文件虽然是在Vivado平台下进行讨论。由于配置文件的内容，应该与工具无关而和器件相关，所以ISE环境下的原理是一样的，只是生成各个文件的操作步骤有不同而已。ISE工程生成bit文件后，使用Impact工具进行文件的转换。

另外，写入Flash时需要注意：

1.Flash需要先擦除再写入。

2.写入可能遇到大小端的问题，比较简单的方法就是先试一下，如果不行，数据大小端改换一下再进行尝试。

3.对于7系列及以后的芯片，基本上都是从0地址开始写入Flash即可。Spartan-6可能其实位置不是0地址，需要查看文档确认一下。

到此，Xilinx平台下远程更新的Flash读写控制方案已经基本介绍完了。更多配置的细节，可以参考相关FGPA的配置文档，例如7系列是UG470。

审核编辑：汤梓红