基于MicroBlaze处理器的BPIFlash操作

摘要：本文主要介绍MicroBlaze在 FPGA中的应用，并结合实际工程介绍如何设计MicroBlaze微处理器与BPI Flash接口以及如何提高BPI Flash的烧写速度，同时也简单介绍利用MicroBlaze微控制器实现FPGA的动态可重构。

Xilinx公司很早就推出在FPGA中内嵌微控制器的解决方案。MicroBlaze作为一款可配置的微控制器可以通过软件的方式配置到FPGA内部，用于解决一些对速度要求不高但控制相对较复杂的应用。

随着半导体工艺的进步，FPGA芯片的容量越来越大，随之对外部配置Flash的容量要求也越来越高；Flash作为FPGA上电的配置芯片，其加载数据的大小影响着FPGA的上电配置时间，大容量的FPGA芯片意味着需要花更多的时间完成加载，传统的串行加载的方式已经满足不了系统对加载时间的苛刻要求，BPI（Byte-wide Peripheral Interface） Flash采用并行（8bit、16bit）方式为FPGA提供上电加载数据，大大地缩短了FPGA的加载时间，因此，也越来越多地在工程中被采用。

在很多的实际工程中，由于所处的应用环境不同，需要FPGA在不同的环境下实现不同的功能，此时需要FPGA芯片自身能够动态地更新加载Flash中的内容，并完成自身配置数据的重加载，该过程就是FPGA的可重构能力。

1 硬件设计举例
如图1所示是一个基于MicroBlaze微控制器与BPI Flash接口的简单应用框图。从图1中我们能够看出，利用MicroBlaze可以直接控制外部的加载Flash芯片，FPGA的内部功能逻辑可以通过MicroBlaze间接地访问BPI Flash芯片，实现对BPI Flash内部数据进行读写操作。

图1:基于MicroBlaze的BPI Flash应用

图2：BPI Flash烧写原理框图

Virtex-6、Virtex-7等系列FPGA芯片的配置容量在逐步增大，有的型号配置容量已经超过128Mb，如果过超过128Mb配置大小的FPGA芯片，需要使用第三方厂家提供的BPI Flash芯片作为FPGA的上电加载芯片，采用BPI Flash作为FPGA的上电配置芯片优点有：（1）能够缩短FPGA上电加载的时间（2）除去加载所需的Flash空间，剩余的空间可以用于存储应用数据，缺点是占用太多的FPGA管脚。

FPGA的上电配置数据需要通过iMPACT软件写入到BPI Flash中，由于iMPACT软件对第三方BPI Flash芯片的支持不是很好，采用字节烧写方式，需要花较多的时间完成Flash的烧写，例如，对于一个70MB的MCS文件需要花费8062秒完成烧写。

对于通用的Flash芯片都有缓冲编程操作命令，在该模式下，将烧写的数据按照缓冲区的大小发送给Flash芯片，Flash芯片将内部缓存区的数据写入到芯片内部，这种编程方式比字节编程方式能够显著提高Flash芯片的烧写速度，从而大大缩短了配置文件的烧写时间，下面介绍一种方式来提高Flash的烧写时间。

2 典型设计介绍
Xilinx提供了EDK（Embedded Develop ment Kit嵌入式开发套件）可以进行MicroBlaze控制器的硬件设计和软件开发。如图2所示，在FPGA中构建一个最小的MicroBlaze系统，其中串口是用于和计算机进行通信，计算机将需要烧写的配置文件解析后通过串口下发给MicroBlaze，Microblaze将收 到的数据缓存在内部存储器中，当接收到一定量的数据后，对BPI Flash采用缓冲编程方式进行烧写；若串口的通讯速率为115200bit每秒，折合成字节宽度（8bit）为每秒传输11520Bytes，按照Flash数据手册中给出的缓冲编程的速度为1.46Mbyte/s计算，对于一个70MB的MCS文件经过解析后的烧写时间为2257秒，考虑到软件之间的交互等影响，实际的烧写时间可能会长点，但采用这种方法烧 写配置文件比采用Xilinx提供的iMPACT软件明显快很多。

在上面的典型设计介绍中我们采用了串口与计算机进行通信，由于串口速率与Flash的编程速度不匹配，造成较多时间花在与计算机进行数据通信上，如果能够提高MicroBlaze与计算机的通信速率，那么Flash的烧写速度还能够进一步提高，比如采用USB、网络、并口等方式与计算机进行通信，则能够充分发挥缓冲编程的优势,能够进一步提高BPI Flash的烧写速度。

采用MicroBlaze与BPI Flash进行通信，能够简化与Flash的接口设计，如果需要在线对FPGA的加载程序进行修改，只需要设计FPGA功能模块与MicroBlaze之间的通信，利用MicroBlaze将配置文件写入外部的BPI Flash中，再利用IPROG实现程序的自动加载，从而实现FPGA的在线可重构和自动加载。