【MAX10初体验】片内User Flash的使用

lucky88717

一、Altera MAX10 FPGA片内Flash介绍
       MAX 10 FPGA 采用 TSMC 的 55 nm 嵌入式 NOR 闪存技术制造，并提供双配置CFM（Configration Flash Memery ）和UFM（User Flash Memery）。配置灵活支持双配置，也支持CFM与UFM相互共享。不同型号的片子对应最大的UFM容量从Quartus软件里面即可找到：
      
       与基于FLASH结构的FPGA如Actel的ProASIC3系列不同的是MAX10依然是SRAM结构，只是片内集成了Flash，因此加速了配置启动速度，减少了外设，从而简化了设计。既然是nor flash，那么也遵守普通nor的特点，写入慢，读取快。比eeprom多一步擦除过程。
       你用或不用，它就在那。各位屌丝脑洞大开的时候到了，快想想读取快的Flash可以干些什么。我们要充分压榨max10的每一滴油水，就一定要搞定UFM。

二、MAX10 初体验——片内User Flash的使用
        1.在IP Catalog里面搜索flash，双击打开Altera On-Chip Flash，又打开了Qsys。看来Altera真是死磕nios了。不过不用担心，Avalon MM比起AXI简单的要命，下面简单的例子介绍后，看一下时序，想必很快就可以上手。
        
       本例为了体验片内Flash的并行速度，时钟频率设为100MHz，选择了并行数据接口，burst方式为递增，突发模式设置为最大128字节。FPGA配置方式选择单个非压缩镜像，这样做可以多释放一块Flash供我们使用。我们这次不玩IAP，且为了保护FPGA配置镜像不被意外损坏，将CFM设置为隐藏。初始化使用hex或mif文件，怎样创建都行。（逻辑本来就很简单，也懒得去仿真了，所以dat文件也就没有做。初始化文件本例用了个部分递增序列，用以检验代码的正确性）
       2.在生成HDL之前，我们还是先看一下IP核的接口，在右上侧点击block symbol，了解一下信号功能位宽及方向。
        
        其中data为Avalon MM的用户读写接口，crs为Avalon MM的控制接口。（我们只需要关注data接口即可完成正常读写工作）
       3.生成HDL
        生成HDL后，将生成的synthesis目录里面的qip文件添加到工程中。qip文件为索引文件，quartus将根据索引路径获取综合仿真所需的文件。
       4.程序源码：

module ufm_test(input wire i_clk,input wire i_rst_n,output wire [31:0]readdata,output wire rdatavalid);wire clk50;wire rst;   wire locked;   reg [14:0]flash_raddr;wire waitrequest;                pll u_pll (  .areset   (~i_rst_n),  .inclk0   (i_clk),  .c0       (clk100),  .locked   (locked));assign rst = ~(i_rst_n & locked);//gen read addressalways@(posedge clk100 or posedge rst)if(rst)  flash_raddr <= 15'd0;else if(waitrequest)  flash_raddr <= flash_raddr;else if(flash_raddr == 15'd29184 - 15'd8)  flash_raddr <= 15'd0;else  flash_raddr <= flash_raddr + 15'd8;userflash u0 (  .clock                   (clk100     ),// clk.clk  .reset_n                 (~rst       ),// nreset.reset_n   //crs  .avmm_csr_addr           (1'b0       ),// csr.address  .avmm_csr_read           (1'b0       ),// .read  .avmm_csr_writedata      (32'd0      ),// .writedata  .avmm_csr_write          (1'b0       ),// .write  .avmm_csr_readdata       (           ),// .readdata  //data  .avmm_data_addr          (flash_raddr),// data.address 15bit  .avmm_data_read          (1'b1       ),//.read always enable  .avmm_data_writedata     (32'd0      ),//.writedata 32bit  .avmm_data_write         (1'b0       ),//.write  .avmm_data_readdata      (readdata   ),//.readdata 32bit  .avmm_data_waitrequest   (waitrequest),//.waitrequest  .avmm_data_readdatavalid (rdatavalid ),//.readdatavalid  .avmm_data_burstcount    (8'd8       ) //.burstcount);endmodule        5.下载pof
       由于sof文件包含的内容为sram结构的配置信息，不包含flash的内容，所以UFM初始化文件不会通过sof下载写入flash，所以需要将ufm信息包含到pof文件，并下载。
       综合完毕后，打开Convert Programming File，将sof转换为pof。
        
         选择pof格式，Mode选择Internal Configuration，添加已经生成的sof文件。先不要着急Generate，现在还添加UFM初始化文件。
        
       点击Options/Boot info按钮，UFM source选择Load memory file并添加自己定义的UFM的初始化文件。
        添加UFM初始化后再生成pof文件。此时的pof包含了用户逻辑与UFM的初始化信息，文件个头会稍微大一些。
       6.sinaltap抓数
       本例的工程将avalon的读取data相关的信号进行了抓取：
        
        上图触发时刻后为四组突发长度为8的读取模式，下图为其中一段的放大：

        从图中可以看出 当valid为高时，输出的读取数据按字节递增，说明读取过程正确无误。
       当前clk为100MHz，发起一个长度为8的突发读取需要22个clk，共读出了32个字节。由此可以算出当前的flash读取速率为每clk 1.45个字节，不得不说并行读取速率就是快。这么快的速率完全可以跟上程序的处理速度，用Max10不好好利用UFM，简直暴殄天物。
三、个人感受
       1.鉴于Altera On-Chip Memery是基于Qsys的IP核，可以看得出Altera在推广Avalon和Nios上的一贯作风。
       2.非集成Flash的FPGA，如cyclone4系列只能串行读写EPCS，来当做UFM使用，且总线速率不超过25MHz。MAX10的体验确实出乎意料，并行总线读取flash，那叫一个快。

       3.本文没有尝试写入，是因为nor flash的写入过程确实太慢，手册说擦除一个扇区就需要350ms。如果只是存一个用户参数，再写入之前先进行读取备份，然后再执行擦除操作，再执行写入操作。过程繁琐，且在寄存器中备份需要占用大量LE，也不划算。
       4.IAP过程也需要程序写入到相应的Flash，但是一个配置文件就将近1MBytes（本文的sof就有700多KB，pof有800多KB）。由于写入过程很慢，最好需要通过nios系统并外挂一个片外的RAM来缓存要写入的配置文件。尽管MAX10支持DDR3跑400M，但是需要消耗大量的逻辑来支持DDR，如果单独为了IAP而添加外部的RAM，有些得不偿失。建议IAP最好还是在不额外增加bom的时候使用。其他时候安心的用单个配置flash吧，其他的都划作UFM，想怎么用，就怎么用。