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。
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