基于ARM的FPGA加载配置实现

2007-03-15 13:53:46来源: 微计算机信息
0引言

基于SRAM工艺FPGA在每次上电后需要进行配置,通常情况下FPGA的配置文件由片外专用的EPROM来加载。这种传统配置方式是在FPGA的功能相对稳定的情况下采用的。在系统设计要求配置速度高、容量大、以及远程升级时,这种方法就显得很不实际也不方便。本文介绍了通过ARM对可编程器件进行配置的的设计和实现。

1 配置原理与方式

1.1配置原理

在FPGA正常工作时,配置数据存储在SRAM单元中,这个SRAM单元也被称为配置存储器(Configuration RAM)。由于SRAM是易失性的存储器,因此FPGA在上电之后,外部电路需要将配置数据重新载入到片内的配置RAM中。在芯片配置完成后,内部的寄存器以及I/O管脚必须进行初始化。等初始化完成以后,芯片才会按照用户设计的功能正常工作。 

1.2配置方式

  根据FPGA在配置电路中的角色,其配置数据可以使用3种方式载入到目标器件中:

  ·FPGA主动(Active)方式;

  ·FPGA 被动(Passive)方式;

  ·JTAG 方式;

在FPGA 主动方式下,由目标FPGA来主动输出控制和同步信号(包括配置时钟)给专用的一种串行配置芯片,在配置芯片收到命令后,就把配置数据发到FPGA,完成配置过程。在被动方式下,由系统中的其他设备发起并控制配置过程,FPGA只输出一些状态信号来配合配置过程。被动方式包括被动串行PS(Passive Serial )、快速被动并行FPP(Fast Passive Parallel)、被动并行同步PPS(Passive Parallel Serial)、被动并行异步PPA(Passive Parallel Asynchronous)、以及被动串行异步PSA(Passive Serial Asynchronous)。JTAG是IEEE 1149.1边界扫描测试的标准接口。从JTAG接口进行配置可以使用Altera的下载电缆,通过Quartus工具下载,也可以采用微处理器来模拟JTAG时序进行配置。

2硬件电路设计

AT91ARM9200对EP1C6配置的硬件电路示意图如图1所示。

在配置FPGA时,首先需要将年nCONFIG拉低(至少40us), 然后拉高。当nCONFIG被拉高后,FPGA的nSTATUS也将变高,表示这时已经可以开始配置,外部电路就可以用DCLK的时钟上升沿一位一位地将配置数据写进FPGA中。当最后一个比特数据写入以后,CONFIG_DONE管脚被FPGA释放,被外部的上拉电阻拉高,FPGA随即进入初始化状态。

图 1 ARM配置FPGA电路原理

3软件设计

  本文在设计时使用Linux系统,软件编写和调试是在ADS 下。主要程序如下:

  static AT91PS_PIO pioc;

  inline void pioc_out_0 (int mask)

  {

    pioc->PIO_CODR = mask;

  }

  inline void pioc_out_1 (int mask)

  {

    pioc->PIO_SODR = mask;

  }

  inline int pioc_in (int mask)

  {

    return pioc->PIO_PDSR & mask;

  }

  inline void xmit_byte (char c)

  {

    int i;

    for (i = 0; i < 8; i++)

    {

    if (c & 1)

             pioc_out_1 (DATA0);

        else

             pioc_out_0 (DATA0);

             pioc_out_0 (DCLK);

             pioc_out_1 (DCLK);

        c >>= 1;

     }

  }

  

  void pioc_setup ()

  {

     pioc->PIO_PER   =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;

     pioc->PIO_OER   =DATA0 | nCONFIG | DCLK;

     pioc->PIO_ODR   =nSTATUS | CONF_DONE;

     pioc->PIO_IFER   =nSTATUS | CONF_DONE;

     pioc->PIO_CODR   =DATA0 | nCONFIG | DCLK;

     pioc->PIO_IDR   =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;

     pioc->PIO_MDDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK;

     pioc->PIO_PPUDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;

     pioc->PIO_OWDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;

  }

  int pioc_map ()

  {

      int fd;

      off_t addr = 0xFFFFF800;   // PIO controller C

      static void *base;

      if ((fd = open ("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) == -1)

       {

         printf ("Cannot open /dev/mem.\n");

         return 0;

       }

      printf ("/dev/mem opened.\n");

      base = mmap (0, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);

      if (base == (void *) -1)

      {

      printf ("Cannot mmap.\n");

        return 0;

      }

      printf ("Memory mapped at address %p.\n", base);

      pioc = base + (addr & MAP_MASK);

      return 1;

  }

  int main (int argc, char **argv)

  {

      FILE *file;

      char data[16];

      int nbytes, i;?

      if (argc != 2)

     {

        printf ("%s \n", argv[0]);

        return -1;

     }

      file = fopen (argv[1], "r");

      if (!file)

     {

         printf ("File %s not found.\n", argv[1]);

         return -1;

     }

     if (!pioc_map ())

          return -1;

     pioc_setup ();

     pioc_out_0 (nCONFIG);

     for (i = 0; i < 10000 && pioc_in (nSTATUS); i++) { }

     if (i == 10000)

     {

         printf ("nSTATUS = 1 before attempting configuration.\n");

         return -1;

      }

      pioc_out_1 (nCONFIG);

      for (i = 0; i < 10000 && !pioc_in (nSTATUS); i++) { }

      if (i == 10000)

      {

      printf ("Timeout waiting for nSTATUS = 1.\n");

         return -1;

      }

      while ((nbytes = fread (data, sizeof (char), sizeof (data), file)) > 0)

      {

         if (pioc_in (CONF_DONE))

         {

               printf ("CONF_DONE = 1 while transmitting data.\n");

               return -1;

          }

          if (!pioc_in (nSTATUS))

          {

             printf ("nSTATUS = 0 while transmitting data.\n");

             return -1;

          }

          for (i = 0; i < nbytes; i++)

               xmit_byte (data[i]);

     }

     for (i = 0; i < 10000 && !pioc_in (CONF_DONE); i++)

     {

         if (!pioc_in (nSTATUS))

         {

            printf ("nSTATUS = 0 while transmitting data.\n");

            return -1;

         }

         pioc_out_0 (DATA0);

         pioc_out_0 (DCLK);

         pioc_out_1 (DCLK);

     }

     if (i == 10000)

     {

            printf ("Timeout waiting for CONF_DONE = 1.\n");

            return -1;

     }

     return 0;

  }

4 结论

本文给出了基于ARM的FPGA加载配置软件实现。这种方法充分利用了ARM的速度快、灵活的特点,节省了开发成本,又满足了一些特殊的系统设计要求。本方法也适用于其它的微处理器。

参考文献

[1]王诚,吴继华,范丽珍,薛宁,薛小宁.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇) 人民邮电出版社 2005.7 PP187~190

[2] 王艳,李秀华 基于单片机的现场可编程门阵列的配置 微计算机信息 2005,13,104-105。  

关键字:SRAM  存储  I  O

编辑:赵思潇 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/IP/200703/1729.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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