用ARM对FPGA进行配置的原理与方法

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电路原理图

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. ");

return 0;

}

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

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

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

{

printf ("Cannot mmap. ");

return 0;

}

printf ("Memory mapped at address %p. ", 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 ", argv[0]);

return -1;

}

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

if (!file)

{

printf ("File %s not found. ", 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. ");

return -1;

}

pioc_out_1 (nCONFIG);

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

if (i == 10000)

{

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

return -1;

}

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

{

if (pioc_in (CONF_DONE))

{

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

return -1;

}

if (!pioc_in (nSTATUS))

{

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

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. ");

return -1;

}

pioc_out_0 (DATA0);

pioc_out_0 (DCLK);

pioc_out_1 (DCLK);

}

if (i == 10000)

{

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

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。