1. はじめに
この記事では、インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェア ver 19.1_Standard と ver 19.4_Pro 以降の状況を元に、Embedded Peripherals IP User Guide に掲載されている Serial Flash Controller の違いについてと、Nios® II Boot と Serial Flash Controller の関係性についてご紹介いたします。
どの Controller を使用すればよいのか判断に困った際の参考にしてください。
補足：
便宜上、QSPI Flash や SPI Flash を総称して Flash ROM と記載しております。Flash ROM にアクセスする Controller は総称して Serial Flash Controller と記載しております。
Flash Controller 関連コンテンツとして、下記のコンテンツもご参照ください。
参考： Nios® II 向け各種 Flash コントローラの紹介
Nios® II Boot に関するコンテンツとして、下記のコンテンツもご参照ください。
参考： Nios® II Boot の構成 と 各 Boot Option における設定について
Flash ROM に対して Memory Test を行う場合は、下記のコンテンツもご参照ください。
参考： Embedded Peripherals IP - Flash Controller サンプル
2. Flash Controller の種類
Embedded Peripherals IP User Guide に 5 つ 、その他のユーザーガイドに 2 つ 掲載されており、合計 7 つ の Flash Controller が Platform Designer に用意されています。
それぞれの違いについては、表 1 ～ 4 と各 Controller の説明文をご参照ください。
また、このコンテンツでは記載の簡易化のために、表 1 の略称を使用します（公式な略称ではないことにご注意ください）。
| No | 名称 （ユーザーガイド・リンク） | 略称 |
| 1 | EPCS/EPCQA Serial Flash Controller Core | Legacy SFC |
| 2 | Intel FPGA Serial Flash Controller Core | SFC I |
| 3 | Intel FPGA Serial Flash Controller II Core | SFC II |
| 4 | Intel FPGA Generic QUAD SPI Controller Core | GQSPI I |
| 5 | Intel FPGA Generic QUAD SPI Controller II Core | GQSPI II |
| 6 | Generic Serial Flash Interface Intel FPGA IP Core | GSFI |
| 7 | Generic Tri-State Controller Intel FPGA IP | GTSC |
| No | 名称（略称） | 新/旧 | 概要 |
| 1 | Legacy SFC | 旧 | 第 1 世代。新しいプロジェクトでは使用しません |
| 2 | SFC I | 旧 | 第 2 世代。新しいプロジェクトでは使用しません。 |
| 3 | SFC II | 現行 | 第 2 世代バージョンアップ版。メインで使用します |
| 4 | GQSPI I | 旧 | 第 2 世代。新しいプロジェクトでは使用しません |
| 5 | GQSPI II | 現行 | 第 2 世代バージョンアップ版。メインで使用します |
| 6 | GSFI | 最新 | 第 3 世代。全ての Flash ROM に対応可能 |
| 7 | GTSC | 現行 | CFI Flash 向け。メインで使用します |
| No | 名称（略称） | 対応 Flash | I/O Mode *4 | Interface |
| 1 | Legacy SFC | EPCS/EPCQ/EPCQA | ×1 | AS |
| 2 | SFC I | EPCS/EPCQ/EPCQA/MT25Q *1 | ×1,×4 | AS |
| 3 | SFC II | EPCQ/EPCQL/EPCQA/MT25Q *1 | ×1,×4 | AS |
| 4 | GQSPI I | EPCQ/EPCQL/EPCQA/N25Q/MT25Q *1 | ×1,×4 | AS |
| 5 | GQSPI II | EPCQ/EPCQL/N25Q/MT25Q *1 | ×1,×4 | AS , User I/O |
| 6 | GSFI | ALL QUAD/Serial SPI Flash | ×1,×2,×4 | AS , User I/O |
| 7 | GTSC | ALL CFI Flash | Data Width | User I/O |
| No | 名称（略称） | Nios® II HAL | Nios® II Boot | Boot 構成 |
| 1 | Legacy SFC | 有 | 可（注意あり）*2 | Boot Copier |
| 2 | SFC I | 有 | 可 | XIP, Boot Copier |
| 3 | SFC II | 有 | 可 | XIP, Boot Copier |
| 4 | GQSPI I | 有 | 可 | XIP, Boot Copier |
| 5 | GQSPI II | 有 | 可 | XIP, Boot Copier |
| 6 | GSFI | ver21.1_Pro にて有 *3 | 可 | XIP, Boot Copier |
| 7 | GTSC | 有 | 可 | XIP, Boot Copier |
*1：Quartus® Prime プロジェクト・ディレクトリーに、pgm_allow_mt25q=on を記載した quartus.ini ファイルを保存している状態でのサポート状況です。
参考： https://malt.zendesk.com/hc/ja/articles/900006258943
*2：Legacy SFC の Nios® II Boot はその他 Controller とは異なる形式ですので、仕様を理解したうえでご使用ください（2-1. EPCS/EPCQA Serial Flash Controller Core をご参照ください）。
*3： GSFI の サンプルデザインと Nios® II サンプル・ソフトウェアが提供されています。
また、ver21.1_Pro にて、Nios II HAL API が提供されました。
参考： Embedded Peripherals IP - Generic Serial Flash Interface サンプル
参考： Generic Serial Flash Interface Intel FPGA IP Core Reference Design
参考： Generic Serial Flash Interface Intel® FPGA IP User Guide > 1.9. Nios II HAL Driver
*4：デバイスによって、×1 しか選べない場合がございます。
2-1. EPCS/EPCQA Serial Flash Controller Core
図 1：Legacy SFC のパラメーター設定
第 1 世代 Serial Flash Controller で、Legacy と名前のついてるバージョンもあります。
最新の Pro バージョンでは、Legacy の文字が消え、章題の名称になっています。
現行の Serial Flash Controller と仕様が異なる点が多くあり注意が必要です。
インテル® が提供している EPCS/EPCQ/EPCQA Flash をサポートしており、AS Interface 経由で Flash ROM にアクセスすることができます。
Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II HAL API Driver も提供されているため、Nios® II から HAL API で Flash ROM に読み書きすることができます。
I/O mode は Standard（×1）のみサポートされています。
Nios® II の Boot にも使用することができますが、その他 Serial Flash Controller の Boot 形式とは異なり、XIP での Boot はサポートされておりません。また、SOF ファイルと ELF ファイルを格納する方法も異なることに注意が必要で、3-1. Boot 形式 ① Legacy Controller のみ対応（旧式）をご参照ください。
一般的に、こちらの Serial Flash Controller は使用しません。
2-2. Intel FPGA Serial Flash Controller Core
図 2：SFC I のパラメーター設定 （quartus.ini 有効時）
第 2 世代 Serial Flash Controller の中で、一番最初にリリースされた Controller です。
インテル® が提供している EPCS/EPCQ/EPCQA Flash と MT25Q Flash（quartus.ini 有効時）をサポートしており、AS Interface 経由で Flash ROM にアクセスすることができます。
Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II HAL API Driver も提供されているため、Nios® II から HAL API で Flash ROM に読み書きすることができます。
I/O mode は Standard（×1）、QUAD（×4）中から選ぶことが可能となっています。
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式 ② その他 Controller 対応（現行）をご参照ください。
動作周波数は 25 MHz までという制限があり、DCLK の周波数は動作周波数の 1/4 です。
2-3. Intel FPGA Serial Flash Controller II Core
図 3：SFC II のパラメーター設定 （quartus.ini 有効時）
Intel FPGA Serial Flash Controller Core のバージョンアップ版 Serial Flash Controller になります。
できることはほとんど同じですが、対応 Flash ROM と 動作周波数が異なります。
インテル® が提供している EPCQ/EPCQL/EPCQA Flash と MT25Q Flash（quartus.ini 有効時）をサポートしており、AS Interface 経由で Flash ROM にアクセスすることができます。
Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II HAL API Driver も提供されているため、Nios® II から HAL API で Flash ROM に読み書きすることができます。
I/O mode は Standard（×1）、QUAD（×4）中から選ぶことが可能となっています。
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式 ② その他 Controller 対応（現行）をご参照ください。
動作周波数は 50 MHz までという制限があり、DCLK の周波数は動作周波数の 1/4 です。
2-4. Intel FPGA Generic QUAD SPI Controller Core
図 4：GQSPI I のパラメーター設定 （quartus.ini 有効時）
汎用の Serial Flash に対応する為に登場した Serial Flash Controller です。
インテル®が提供している EPCQ/EPCQL/EPCQA Flash 以外にも、N25Q/MT25Q Flash にも対応しています。
サードパーティー製の Flash ROM をサポートしており、AS Interface 経由で Flash ROM にアクセスすることができます。Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II HAL API Driver も提供されているため、Nios® II から HAL API で Flash ROM に読み書きすることができます。
I/O mode は Standard（×1）、QUAD（×4）中から選ぶことが可能となっています。
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式② その他 Controller 対応（現行）をご参照ください。
動作周波数は 25 MHz までという制限があり、DCLK の周波数は動作周波数と同じです。
2-5. Intel FPGA Generic QUAD SPI Controller II Core
図 5：GQSPI II のパラメーター設定 （quartus.ini 有効時）
Intel® FPGA Generic QUAD SPI Controller Core のバージョンアップ版 Serial Flash Controller になります。
できることはほとんど同じですが、対応 Flash ROM や 動作周波数、User I/O Interface 対応 などが異なります。
インテル®が提供している EPCQ/EPCQL/ Flash 以外にも、N25Q/MT25Q Flash にも対応しています。
サードパーティー製の Flash ROM をサポートしており、AS Interface 経由だけでなく、User I/O 経由でも Flash ROM にアクセスすることができます。
Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II HAL API Driver も提供されているため、Nios® II から HAL API で Flash ROM に読み書きすることができます。
I/O mode は Standard（×1）、QUAD（×4）中から選ぶことが可能となっています。
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式 ② その他 Controller 対応（現行）をご参照ください。
動作周波数は 40 MHz までという制限があり、DCLK の周波数は動作周波数と同じです。
2-6. Generic Serial Flash Interface Intel® FPGA IP Core
図 6：GSFI のパラメーター設定
最新の Serial Flash Controller で、パラメーター設定やオペレーション・コードを CSR レジスターで設定できるため、すべての Flash ROM に対応しています。
AS Interface 経由だけでなく、 User I/O 経由でも Flash ROM にアクセスでき、
I/O mode は Standard（×1）、DUAL（×2） 、QUAD（×4）を選択できます。Register で設定します。
Avalon MM のインターフェイスを備えており、Nios® II からアクセスすることが可能です。
Nios® II HAL API Driver は提供されていませんでしたが、ver21.1_Pro 以降のバージョンでリリースされました。
参考：Generic Serial Flash Interface Intel® FPGA IP User Guide > 1.9. Nios II HAL Driver
一般的には、GSFI の サンプルデザインと Nios® II サンプル・ソフトウェアが下記サイトで提供されていますので、そちらを使用して開発を進めて頂く形になります。
参考： Embedded Peripherals IP - Generic Serial Flash Interface サンプル
参考： Generic Serial Flash Interface Intel FPGA IP Core Reference Design
Nios® II Boot につきましては、メーカーからアップデートがあり、下記コンテンツ通りに実装することで、実現可能です。
参考： Nios® II Boot Option ~ Generic Serial Flash Interface を使った Boot 方法 ~
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式 ② その他 Controller 対応（現行）もご参照ください。
動作周波数は、特に制限が設けられていませんが、CS アサート時間が 動作周波数の影響により ROM の仕様を満たせない可能性がある為、ver19.1_Std または ver20.2_Pro 以前のバージョンでは、60MHz 以下にしてください。
DCLK の周波数はレジスターで設定可能です。
2-7.［番外編］Generic Tri-State Controller Intel FPGA IP
図 7：GTSC のパラメーター設定
Flash ROM ではなく、CFI Flash にアクセスするときに使用する Flash Controller です。
ユーザー側で CFI Flash のパラメーターを IP パラメーターから設定して使用する Controller であり、プリセットがあらかじめ、ある程度用意されています。また、設定をプリセットとして保存することも可能です。
CFI Flash Controller 以外にも、SDRAM Controller としても使用することができます。
AS Interface への接続はできませんので、User I/O に PIN アサインをして使用してください。
使用方法については、下記コンテンツをご参照ください。
Nios® II Boot については、3-2. Boot 形式 ② その他 Controller 対応（現行）もご参照ください。
参考： 構築方法 - Qsys におけるオフチップ・メモリ・インタフェースの接続方法
参考： Nios® II Boot - 5.2.6. Nios II Processor Booting from CFI Flash
参考： Nios® II Boot - Nios® II Boot Option ~CFI Flash~
3. Nios® II Boot との関係性
Nios® II の Boot 構成は、Boot Copier と XIP の 2 種類に分類されます。
- Boot Copier は Boot Copier Software を使用して、Flash ROM から Work RAM に User Software を展開させて Nios® II を Boot した後、Work RAM で User Software を実行します。
- XIP は Flash ROM 上で User Software を実行する為、Boot Copier Softeare は必要なく、Flash ROM 上で Nios® II を Boot した後、User Software を Flash ROM 上で実行します。
それぞれのメリットとデメリットに関しては、下記コンテンツをご参照ください。
参考： Nios® II Boot の構成 と 各 Boot Option における設定について
そして、Flash Controller の種類によって、Boot 形式（Boot 時の挙動）が異なっており、Legacy SFC だけ、その他 Serial Flash Controller と Boot 形式が異なる点に注意が必要です。
その差分について解説いたします。
| Boot 形式 No | 概要 |
| ①(旧式) | Boot Copier Software 格納用 RAM が Legacy SFC に内蔵されており、 その格納用 RAM 上で Boot Copier を実行し、User Software を Work RAM に展開する |
| ②(現行) | Flash ROM に Boot Copier Software と User Software を格納して、 Flash ROM 上で Boot Copier Software を実行し User Software を Work RAM に展開する |
| Boot 形式 No | 対応 Controller | Flash ROM ソフトウェア格納方法 | Nios® II Reset Vector Offset |
| ①(旧式) | Legacy SFC | Nios® II Flash Programmer で ELF と SOF を 書き込む | 0x0000_0000 |
| ②(現行) | Legacy SFC 以外 | JIC や POF に SOF と HEX を格納して書き込む | HEX の格納アドレス |
3-1. Boot 形式 ① - Legacy Controller のみ対応（旧式）
Legacy SFC は 図8 のように、Avalon CSR Port のみしかなく、命令フェッチができない為、XIP には対応していません。
Legacy SFC における Boot 形式について解説します。
Legacy SFC は Boot Copier Software 用の RAM を搭載し、その Boot Copier Software 格納用 RAM 上で Boot Copier Software を実行して Flash ROM から Work RAM に User Software を展開した後、Work RAM 上で Nios® II を実行します。
Nios® II Reset Vector Offset の値は 0x0000_0000 を設定し、Nios® II Reset Vector は Avalon CSR Port の ベースアドレスを設定します。
そして、Legacy SFC の Boot Copier Software は、Flash ROM 上でハードウェア・データの直後に User Software が存在することが前提となっており、その通り格納しないと Nios®II は Boot できません。
また、Nios® II Flash Programmer を使用して、SOF と ELF を Flash ROM に格納することができ、ハードウェア・データの直後にソフトウェア・データが来るように自動的に格納されます。
図 8：Boot 形式 ① - Legacy Controller のみ対応（旧式）
3-2. Boot 形式 ② - その他 Controller 対応（現行）
Legacy SFC 以外の Serial Flash Controller は 図 9 のように、Avalon CSR と Avalon MEM Port があり、命令フェッチができる為、Flash ROM 上で 実行する XIP にも対応しています。
XIP は Boot Copier Software は必要なく、起動後 Flash ROM 上で User Software を実行します。
Boot Copier は 図9 のように、Boot Copier Software と User Software を Flash ROM に格納しておきます。起動後、Flash ROM 上で Boot Copier Software を実行し、Flash ROM から Work RAM に User Software を展開します。
その後、Nios® II は Work RAM で User Software を実行します。
Legacy SFC 以外の Flash Controller の場合、User Software を Flash ROM の任意の場所に格納しておけ、そのアドレス値を Nios® II Reset Vector Offset に設定します。従って、Nios® II Reset Vector は Avalon MEM の Base Address と Reset Vector Offset を足し合わせた値になります。
また、Flash ROM への格納は、Nios® II Flash Programmer ではなく、SOF と HEX が格納されている JIC や POF を使用して、Quartus® Prime Programmer で 書き込みます。
* 各種 Serial Flash Controller によって IP 内部構成は多少異なります。
図 9：Boot 形式 ② - その他 Controller 対応（現行）
4. まとめ
Serial Flash Controller は種類が多く、把握するのが難しいですが、表 1 ～ 4（表 1 に戻る）を参考に、実現したい仕様に合わせて使用する Controller を決めて頂ければと思います。
Nios® II Boot として使用するのであれば、SFC II や GQSPI II、GSFI を使用して、下記コンテンツで紹介している方法で実現可能です。
- Nios® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~
- Nios® II Boot Option ~ QSPI Flash ~
- Nios® II Boot Option ~ Generic Serial Flash Interface を使った Boot 方法 ~
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