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嵌入式系統(tǒng)中FPGA的被動(dòng)串行配置方式
摘要：介紹一種在嵌放式系統(tǒng)中使用微處理器被動(dòng)串行配置方式實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA配置的方案，將系統(tǒng)程序及配置文件存在系統(tǒng)Flash中，利用微處理器的I/O口產(chǎn)生配置時(shí)序，省去配置器件；討論FPGA的各種配置方式及各種配置文件的使用；詳述被動(dòng)串行配置的時(shí)序及在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的軟硬件設(shè)計(jì)；說(shuō)明本方案的優(yōu)越性及應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) ARM7TDMI S3C44B0X FPGA 被動(dòng)串行配置
隨著信息時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)成為繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)以其功能強(qiáng)、體積小、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是一種高密度可編程邏輯器件，其邏輯功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)把設(shè)計(jì)生成的數(shù)據(jù)文件配置進(jìn)芯片內(nèi)部的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）來(lái)完成的，具有可重復(fù)編程性，可以靈活實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。FPGA的這種特性使其在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用�；赟RAM工藝的FPGA是易失性的，系統(tǒng)掉電以后其內(nèi)部配置數(shù)據(jù)將丟失，因此需要外接ROM保存其配置數(shù)據(jù)。FPGA的配置是有時(shí)序要求的，如果FPGA本身不能控制配置時(shí)序，就需要有外部配置器件來(lái)進(jìn)行時(shí)序控制。以Altera公司的系列FPGA為例，其本身不能控制配置時(shí)序，就有專用的EPC系列配置器件供其使用。在含有微處理器（MPU或MCU）的系統(tǒng)中（如嵌入式系統(tǒng)），可以使用微處理器產(chǎn)生配置時(shí)序，將保存在系統(tǒng)RO風(fēng)吹草動(dòng)的配置數(shù)據(jù)置入FPGA。與前面一種方案相比，該方案不僅節(jié)省了成本，更縮小了系統(tǒng)體積。在對(duì)成本和體積敏感的系統(tǒng)中，該方案非常適用。
在某手持式通信設(shè)備的設(shè)計(jì)中，使用了嵌入式系統(tǒng)和FPGA完成了系統(tǒng)功能。嵌入式微處理器采用Samsung公司的ARM7TDMI系列處理器S3C44B0X；FPGA采用Alrera公司的APEX 20K系列EP20K200E，使用S3C44B0X完成了對(duì)EP20K200E的配置，取得了良好效果。本文對(duì)其實(shí)現(xiàn)方法予以介紹。
1 ARM嵌入式處理器S3C4480X簡(jiǎn)介
S3C44B0X是Samsung公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性價(jià)比和高性能的嵌入式處理器。其突出特點(diǎn)它的CPU核采用ARM公司的16/32位ARM7TDMI RISC內(nèi)核，0.25μm CMOS工藝制造，主頻最高可達(dá)66MHz，存儲(chǔ)器尋址空間達(dá)256MB。由于其成本和功耗低，特別適合對(duì)成本敏感和功能敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，如PDA、GPS、LCD Game、E-Book等。
2 APEX 20K系列FPGA配置方式及配置文件
2.1 配置方式介紹
Altera公司的APEX 20K系列FPGA可以使用以下方式進(jìn)行配；
①使用專用配置器件，如EPC16、EPC8、EPC2、EPC1、EPC1441；
②被動(dòng)串行方式（PS），使用微處理器的串行步接口或ByteBlaster下載電纜；
③被動(dòng)并行同步方式（PPS），使用微處理器的并行同步接口；
④被動(dòng)并行異步方式（PPA），使用微處理器的并行異步接口；
⑤邊界掃描方式（JTAG），使用JTAG下載電纜。
使用方式①時(shí)，需要首先使用下載電纜將計(jì)算機(jī)生成的FPGA配置文件燒入EPC配置器件中，然后由EPC配置器件控制配置時(shí)序?qū)PGA進(jìn)行配置，一次燒寫(xiě)即可重復(fù)使用。使用方式②、③、④時(shí)，配置文件事先以二進(jìn)制形式保存在系統(tǒng)ROM中，可以脫離開(kāi)計(jì)算機(jī)重復(fù)使用。若使用方②、③、④時(shí)，配置文件事先以二進(jìn)制形式保存在系統(tǒng)ROM中，可以脫離開(kāi)計(jì)算機(jī)重復(fù)使用。若使用方式②，微處理器將配置數(shù)據(jù)以串行（比特流）方式送給FPGA，在配置時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下完成配置。若使用方式③，微處理器將配置數(shù)據(jù)以并行（字節(jié)）方式送給FPGA，由FPGA在其內(nèi)部將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，該串行化的過(guò)程需要外部配置時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)。在配置時(shí)鐘速率相同的情況下，方式②、③所用的配置時(shí)間幾乎相同，但方式②的接口要比方式③簡(jiǎn)單，若使用方式④，微處理器仍將配置數(shù)據(jù)以并行方式送給FPGA，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)據(jù)串行化；與方式③不同的是，該過(guò)程不需要外部配置時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)，但其接口更復(fù)雜，并且需要進(jìn)行地址譯碼，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，一般很少采用。使用方式⑤時(shí)需要計(jì)算機(jī)的配合，無(wú)法在最終的實(shí)際系統(tǒng)中脫機(jī)使用，此處不予討論。
通過(guò)上述討論可以看出，在使用APEX 20K系列FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，特別是要形成某種產(chǎn)品時(shí)，如果系統(tǒng)中不含微處理器，只能使用方式①；若系統(tǒng)中含有微處理器，方式①、②、③、④都可以使用，但②、③、④可以發(fā)現(xiàn)，方式②的接口最簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比其它兩種方式都方便因而在含有微處理器的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，本通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中即采用了該方式。
2.2 配置文件的使用
Altera公司的開(kāi)發(fā)工具Quartus II及MAX+PLUS II可以生成多種格式的配置文件，針對(duì)不同的配置方式要使用不同格式的配置文件。設(shè)計(jì)項(xiàng)目編譯以后會(huì)自動(dòng)生成.sof文件和.pof文件。其中.pof文件在配置方式①使用專用配置器件時(shí)使用，.sof文件用于通過(guò)連接在計(jì)算機(jī)上的下載電纜直接對(duì)FPGA進(jìn)行配置的場(chǎng)合，配置方式可以是JTAG方式或PS方式中使用ByteBlaster下載電纜的情況�；�.sof文件還可以生成.hex、.rbf和.ttf文件。.hex文件是Intel Hex格式的ASCII碼文件，第三方的編程器可以使用這種格式的文件對(duì)Altera公司的配置器件進(jìn)行編程。.rbf文件是二進(jìn)制文件，1字節(jié)的rbf數(shù)據(jù)包含8bit的配置數(shù)據(jù)，使用時(shí)將其存入ROM中。微處理器人ROM使用這種格式的文件。.ttf文件是列表文本文件，.rbf文件的ASCII碼存儲(chǔ)形式，并且各個(gè)字節(jié)之間用逗號(hào)進(jìn)行了分隔。如果系統(tǒng)中有其它程序，可以將.ttf文件作為系統(tǒng)程序源代碼的一部分，和其它程序一起編譯。本系統(tǒng)中采用了.ttf文件作為系統(tǒng)程序的一個(gè)頭文件使用，其配置數(shù)據(jù)以數(shù)組形式被配置程序使用。對(duì)于某種特定型號(hào)的FPGA，無(wú)論其設(shè)計(jì)有多復(fù)雜，在相同版本的開(kāi)發(fā)工具下生成的配置文件大小是一樣的。
3 被動(dòng)串行方式（PS）配置時(shí)鐘
使用PS方式對(duì)FPGA進(jìn)行配置時(shí)，只需要5根信號(hào)線，其配置時(shí)序如圖1所示。
配置時(shí)這五根信號(hào)線都接至微處理器的I/O上，其中nCONFIG、DCLK、DATA0設(shè)置成輸出態(tài)，由微處理器對(duì)FPGA進(jìn)行操作；nSTATUS/CONF_DONE設(shè)置成輸入態(tài)，由微處理器對(duì)FPGA的配置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。微處理器首先在nCONFIG信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)寬度大于8μs的負(fù)脈沖，然后開(kāi)始檢測(cè)nSTATUS信號(hào)的狀態(tài)。FPGA檢測(cè)到nCONFIG信號(hào)的下降沿后會(huì)迫使nSTATUS和CONF_DONC信號(hào)拉低，并且在nCONFIG信號(hào)重新抬高之間保持為低電平。NCONFIG信號(hào)抬高后，nSTATUS將在1μs之內(nèi)隨之抬高，微處理器檢測(cè)到此變化后就認(rèn)為FPGA已經(jīng)做好準(zhǔn)備可以開(kāi)始配置。配置第一個(gè)上升沿與nSTATUS的上升沿之間要求至少有1μs的時(shí)間間隔。由于配置數(shù)據(jù)是與配置上升沿同步的，在配置時(shí)鐘的上升沿來(lái)之間應(yīng)當(dāng)將1bit的配置數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上準(zhǔn)備好，配置數(shù)據(jù)按低位在先高位在后的順序從數(shù)據(jù)線上送出。當(dāng)全部配置數(shù)據(jù)送出以后，CONF_DONE信號(hào)將被抬高，表明配置結(jié)束。微處理器檢測(cè)到CONF_DONE信號(hào)抬高，就結(jié)束配置過(guò)程。如果配置過(guò)程中出錯(cuò)，F(xiàn)PGA將迫使nSTATUS信號(hào)拉低，微處理器檢測(cè)到此變化將重新開(kāi)始配置。
配置結(jié)束以后，F(xiàn)PGA還需要個(gè)初始化的過(guò)程才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在Quartus II或MAX+PLUS II生成的配置文件中已經(jīng)包含了額外的初始化比特，只需將配置文件 數(shù)據(jù)在配置時(shí)鐘的同步下全部送出就已經(jīng)完成了初始化，用戶不必另外加以考慮。
4 硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
由于S3C44B0X內(nèi)部只有8KB的SRAM作CPU的Cache使用，無(wú)法滿足系統(tǒng)程序存儲(chǔ)及運(yùn)行的需要，因此需要外掛存儲(chǔ)器作為程序保存和運(yùn)行的空間。系統(tǒng)中使用1片2MB的Flash作為程序存儲(chǔ)器，系統(tǒng)的整個(gè)應(yīng)用程序，包括EP20K200E配置程序及配置文件都固化于其中保存。另外使用1片9MB的SDRAM作為系統(tǒng)程序運(yùn)行空間，S3C44B0X、Flash和SDRAM構(gòu)成了一個(gè)最小的嵌入式系統(tǒng)。Flash、SDRAM與S3C44B0X的連接方法可參考S3C44B0X用戶手岫。
使用PS配置地需要將EP20K200E的MSEL0、MSEL1、nCE三個(gè)引腳接地，然后將EP20K200E的nCONFIG、DATA0、DCLK、CONF_DONE、nSTATUS引腳分別接至S3C44B0X的GPC0、GPC1、GPC2、GPC3、GPC4引腳上。S3C44B0X的I/O口均為多功能口，可以根據(jù)應(yīng)用的需要通過(guò)內(nèi)部寄存器將其設(shè)置成輸入口、輸出口或特別功能口。此處將GPC0、GPC1和GPC2設(shè)置成輸出口，將GPC3和GPC4設(shè)置成輸入口。
5 軟件設(shè)計(jì)
配置時(shí)根據(jù)配置時(shí)序要求，首先在GPC0引腳（對(duì)應(yīng)nCONFIG）產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，啟動(dòng)配置，然后檢測(cè)GPC4引腳的nSTATUS信號(hào)。NSTATUS信號(hào)正常后就在GPC2引腳（對(duì)應(yīng)DCLK）上送配置時(shí)鐘，在GPC1引腳（對(duì)應(yīng)DATA0）上同步送出配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位從SDRAM中讀出，通過(guò)移位操作以串行比特流方式從GPC1引腳送出。全部數(shù)據(jù)送出后，檢測(cè)GPC3引腳（對(duì)應(yīng)CONF_DONE）的狀態(tài)，如為高電平說(shuō)明配置成功，否則配置失敗，需要重新進(jìn)行配置。配置程序流程如圖3所示。
程序?qū)崿F(xiàn)使用了C語(yǔ)言。在GPC0引腳產(chǎn)生負(fù)脈沖可以通過(guò)對(duì)其先寫(xiě)0后寫(xiě)1來(lái)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)使用簡(jiǎn)單的循環(huán)語(yǔ)句即可，其語(yǔ)句為
rPDATC=rPDATC&0xfffe； //*GPC0置低
for(i
=0;i<150;i++); //延時(shí)15μs
rPDATC=rPDATC|0x0001|; //GPC0置高
其中rPDATC為C端口的數(shù)據(jù)寄存器。
讀入某個(gè)引腳的狀態(tài)并判斷其高低可以使用一條語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，如讀入GPC4的狀態(tài)并判斷其高低為
while(!rPDATC&0x0010)）；
如果GPC4為低電平，該語(yǔ)句就會(huì)一直此處循環(huán)，直至其變?yōu)楦唠娖健?/p>
配置時(shí)鐘通過(guò)在GPC2引腳循環(huán)置0、置1來(lái)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句為rPDATC=rPDATC|0x0004；//GPC2置高rPDATC=rPDATC&0xfffb;//GPC2置低
在GPC2由低變高之前，將1bit的配置數(shù)據(jù)在GPC1引腳上準(zhǔn)備好。
如果配置過(guò)程中出錯(cuò)，EP20K200E將會(huì)迫使nSTATUS引腳拉低來(lái)通知S3C44B0X。在本程序中為了主加快配置速度，沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行判斷，而是在程序最后通過(guò)CONF_DONE信號(hào)否抬高來(lái)判斷配置成功與否。如果配置出錯(cuò)，該信號(hào)將不會(huì)抬高，從而可以重新開(kāi)始配置。
本國(guó)程序、配置文件和系統(tǒng)的其它程序統(tǒng)一編譯成一個(gè)應(yīng)用程序存在Flash中，系統(tǒng)加電以后首先運(yùn)行位于Flash 0地址的引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序完成CPU的初始化，然后將應(yīng)用程序從Flash復(fù)制到SDRAM中，從SDRAM中開(kāi)始運(yùn)行。在本系統(tǒng)中使用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將配置程序放在第一個(gè)運(yùn)行的任務(wù)中，保證在開(kāi)機(jī)手首先完成FPGA配置。配置所需要的時(shí)間與微處理器的運(yùn)行速度及配置文件的大小有關(guān)。在本系統(tǒng)中，微處理器運(yùn)行在64MHz，配置文件的二進(jìn)制形式有240KB，配置所需的時(shí)間在3s左右。
本文所討論的在嵌入式系統(tǒng)中利用微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA配置的方案不僅在系統(tǒng)成本上有優(yōu)勢(shì)，而且在系統(tǒng)體積上也有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，取得了良好效果。本方案雖然是針對(duì)APEX 20K系列FPGA的，但對(duì)于Altera公司其它系列的FPGA產(chǎn)品，只需稍做改動(dòng)即可加以應(yīng)用。另外，由于FPGA具有可重復(fù)配置的靈活性，可以在系統(tǒng)中包含多個(gè)不同功能的配置文件，使用時(shí)根據(jù)功能需要進(jìn)行相應(yīng)的配置，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能。這一點(diǎn)在日益興起的軟件無(wú)線電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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