基于ARM的FPGA加載配置實現(xiàn)

    基于SRAM工藝FPGA在每次上電后需要進行配置，通常情況下FPGA的配置文件由片外專用的EPROM來加載。這種傳統(tǒng)配置方式是在FPGA的功能相對穩(wěn)定的情況下采用的。在系統(tǒng)設(shè)計要求配置速度高、容量大、以及遠程升級時，這種方法就顯得很不實際也不方便。本文介紹了通過ＡＲＭ對可編程器件進行配置的的設(shè)計和實現(xiàn)。

1 配置原理與方式

1.1 配置原理

    在FPGA正常工作時，配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM單元中，這個SRAM單元也被稱為配置存儲（Configuration RAM）。由于SRAM是易失性的存儲器，因此FPGA在上電之后，外部電路需要將配置數(shù)據(jù)重新載入到片內(nèi)的配置RAM中。在芯片配置完成后，內(nèi)部的寄存器以及I/O管腳必須進行初始化。等初始化完成以后，芯片才會按照用戶設(shè)計的功能正常工作。　

1.2 配置方式

    根據(jù)FPGA在配置電路中的角色，其配置數(shù)據(jù)可以使用3種方式載入到目標器件中:

·FPGA主動（Active）方式；

·FPGA 被動（Passive）方式；

·JT

   在FPGA 主動方式下，由目標FPGA來主動輸出控制和同步信號（包括配置時鐘）給專用的一種串行配置芯片，在配置芯片收到命令后，就把配置數(shù)據(jù)發(fā)到FPGA，完成配置過程。在被動方式下，由系統(tǒng)中的其他設(shè)備發(fā)起并控制配置過程，F(xiàn)PGA只輸出一些狀態(tài)信號來配合配置過程。被動方式包括被動串行PS（Passive Serial ）、快速被動并行FPP（Fast Passive Parallel）、被動并行同步PPS（Passive Parallel Serial）、被動并行異步PPA（Passive Parallel Asynchronous）、以及被動串行異步PSA（Passive Serial Asynchronous）。JTAG是IEEE 1149.1邊界掃描測試的標準接口。從JTAG接口進行配置可以使用Altera的下載電纜，通過Quartus工具下載，也可以采用微處理器來模擬JTAG時序進行配置。

2 硬件電路設(shè)計

    AT91ARM9200對EP1C6配置的硬件電路示意圖如圖１所示。

    在配置FPGA時，首先需要將年nCONFIG拉低（至少40us）, 然后拉高。當nCONFIG被拉高后，F(xiàn)PGA的nSTATUS也將變高，表示這時已經(jīng)可以開始配置，外部電路就可以用DCLK的時鐘上升沿一位一位地將配置數(shù)據(jù)寫進FPGA中。當最后一個比特數(shù)據(jù)寫入以后，CONFIG_DONE管腳被FPGA釋放，被外部的上拉電阻拉高，F(xiàn)PGA隨即進入初始化狀態(tài)。

　　圖 1 ARM配置FPGA電路原理圖

3 軟件設(shè)計

    本文在設(shè)計時使用Linux系統(tǒng)，軟件編寫和調(diào)試是在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. ");

　　　　　}

　　　　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