基于外部處理器的FPGA加載應(yīng)用程序的方法研究
1、引言
FPGA在系統(tǒng)上電時(shí)，需要從外部載入所要運(yùn)行的程序，此過(guò)程被稱為程序加載。多數(shù)情況下，F(xiàn)PGA從外部專用的 EPROM讀入程序。這種方式速度慢，而且只能加載固定的程序。顯然，當(dāng)系統(tǒng)需要容量大而且 FPGA要加載的程序可以根據(jù)需要有選擇的加載時(shí)不能采用這種方法。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于外部處理器的加載方法，速度快，而且可以根據(jù)設(shè)置給FPGA加載相應(yīng)的程序。
對(duì)于 Xilinx公司的 FPGA芯片，有五種加載方式：JTAG模式，串行從模式，串行主模式，并行從模式和并行主模式。JTAG模式常用于調(diào)試時(shí)，將主機(jī)綜合好的程序加載到FPGA，優(yōu)先級(jí)高于其他幾種模式。其他加載模式取決于 FPGA上加載模式管腳（M0，M1，M2）的設(shè)置。
用外部處理器給 FPGA加載程序時(shí)，可以采用串行從模式、并行從模式，甚至于 JTAG模式。本文選擇并行從模式，原因在于更高的配置速率。 2、 FPGA程序數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
FGPA的程序加載即是要把綜合好的程序文件按一定的時(shí)序?qū)懭隖PGA。而 Xilinx的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以根據(jù)用戶的選擇產(chǎn)生多種文件格式，以不同的后綴名區(qū)分。不同的文件格式包含了不同的信息，有不同的用途。
本文選擇了.bin格式的文件。此文件是只包含有程序數(shù)據(jù)的二進(jìn)制文件。產(chǎn)生此文件，要在bitgen 參數(shù)里增加-g Binary:yes 選項(xiàng)。
此外，需要說(shuō)明的是，通常的微處理器 D0位是最低有效位，而 Xilinx的 FPGA在接收程序數(shù)據(jù)時(shí)，D0位是最高有效位。因此，在按字節(jié)讀取.bin格式的文件之后，需要有一個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。如從文件讀到一個(gè)字節(jié)，0x7D，即二進(jìn)制的 0111 1101，需轉(zhuǎn)換為：1011 1110。
加載過(guò)程開(kāi)始時(shí)，就要從.bin文件中順序按字節(jié)讀出數(shù)據(jù)，然后在 CCLK的上升沿寫(xiě)入 FPGA。在.bin文件中的數(shù)據(jù)都被寫(xiě)入 FPGA后，CCLK需要多出四個(gè)時(shí)鐘周期，以使得 FPGA完成啟動(dòng)過(guò)程。 3、硬件設(shè)計(jì)
在FPGA上，與配置有關(guān)的管腳分為兩類：專用管腳，包括PROG_B，HSWAP_EN，TDI， TMS，，TCK，TDO，CCLK，DONE，和M0-M2。還有一類是可復(fù)用管腳，這類管腳在配置階段作為配置管腳，配置結(jié)束后可以配置為通用普通的IO管腳，也可以繼續(xù)作為配置管腳。在并行從模式下，涉及到的配置管腳和功能如下：
CS_B：片選信號(hào)，低有效； RDWR_B：寫(xiě)信號(hào)，低有效； BUSY：FPGA忙指示，高有效，一般只有在并行加載時(shí)鐘速率大于50M時(shí)才有可能用到；D0-D7：數(shù)據(jù)線； INIT_B：芯片被復(fù)位后，此管腳為輸出信號(hào)，輸出低電平指示FPGA正在自行復(fù)位內(nèi)部
寄存器。復(fù)位結(jié)束后，此管腳浮空，處于輸入狀態(tài)。因此需要上拉電阻，指示復(fù)位結(jié)束。內(nèi)部寄存器復(fù)位結(jié)束后，此管腳若被拉低，則會(huì)推遲FPGA的程序加載過(guò)程。在程序加載過(guò)程中，此管腳又變回輸入狀態(tài)，對(duì)外輸出低電平指示加載的程序數(shù)據(jù)存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。
PROG_B：異步復(fù)位信號(hào)，下降沿有效，此信號(hào)為低電平時(shí)復(fù)位FPGA，復(fù)位后，F(xiàn)PGA芯片處于內(nèi)部寄存器自行復(fù)位過(guò)程，INIT_B被FPGA芯片拉低，此過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn)PGA不再驅(qū)動(dòng)INIT_B管腳，INIT_B管腳處于浮空狀態(tài)，此時(shí)，INIT_B有上拉電阻時(shí)，INIT_B呈現(xiàn)高電平，依次可以指示FPGA的內(nèi)部寄存器自行復(fù)位結(jié)束。程序加載狀態(tài)。
DONE：加載成功指示。 CCLK：程序加載時(shí)，數(shù)據(jù)在此信號(hào)的上升沿被寫(xiě)入FPGA。在本設(shè)計(jì)中，ARM芯片采用的是 SUMSUN公司的S3C2410，與 FPGA配置管腳相連的是
此芯片的通用 IO管腳 D組。硬件連接如圖所示。在 ARM的程序中，ARM管腳在程序加載的各階段的輸入輸出設(shè)置如下：首先，設(shè)置 GPD（與 FPGA的 INIT_B相連）、GPD（與 FPGA的 BUSY相連）為輸入管腳，以監(jiān)視 FPGA內(nèi)部寄存器自行復(fù)位結(jié)束和忙閑狀態(tài)。其次，設(shè)置GPD（與 FPGA的 PROG_B相連）為輸出狀態(tài)，并使其輸出低脈沖，使 FPGA復(fù)位。然后依次設(shè)置 GPD（與 FPGA的 CS_B相連）、GPD（與 FPGA的 RDWR_B相連）、GPD（與 FPGA的 CCLK相連）為輸出管腳，并使其輸出低電平，使 FPGA處于被選可接受數(shù)據(jù)狀態(tài)；接著設(shè)置D［0..7］為輸出狀態(tài)。至此，ARM中的程序開(kāi)始輪詢GPD的狀態(tài)，檢測(cè)到此信號(hào)為高時(shí)，有兩種選擇，其一是因?yàn)樾枰七t FPGA的程序加載，可以通過(guò)設(shè)置 GPD為輸出，并使其輸出為低電平直至程序加載開(kāi)始。其二是開(kāi)始給 FPGA加載程序，F(xiàn)PGA在 CCLK的上升沿接收數(shù)據(jù)，在給 FPGA加載程序的過(guò)程中，程序需要監(jiān)視GPD管腳的狀態(tài)，一旦為低，F(xiàn)PGA指示程序數(shù)據(jù)加載 CRC校驗(yàn)出錯(cuò)。此時(shí)需要復(fù)位FPGA，重新加載。
采用的硬件連接如下圖：
4、嵌入式 Linux的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
本文以模塊形式實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行于S3C2410上的linux驅(qū)動(dòng)程序，源文件如下（有關(guān)寄存器
的設(shè)置參考S3C2410的數(shù)據(jù)手冊(cè)，以下源代碼未包含頭文件）：
#define GPIO_va_base 0x0F6000000
//基于S3C2410 上的Linux內(nèi)核IO控制寄存器首地址映射后的虛擬地址
#define ARM_GPDCON PIO_va_base+0x30）;
#define ARM_GPDUP PIO_va_base+0x38）;
#define ARM_port_wr（addr，value） *（volatile unsigned int*）（addr）=value）
//定義輸出
#define FPGA_CS 8
#define FPGA_RW 9
#define FPGA_PROG 12
#define FPGA_CCLK 14
//定義操作
#define ARM_GPDDAT （*（volaTIle u32 *）（GPIO_va_base+0x34））
#define set_register_bit（x） ARM_GPDDAT=（1《《x）|ARM_GPDDAT
#define clear_register_bit（x） ARM_GPDDAT=（~（1《《x））&ARM_GPDDAT
//定義輸入
#define FPGA_INIT （（ARM_GPDDAT》》10）&1）
#define FPGA_BUSY （（ARM_GPDDAT》》11）&1）
#define FPGA_DONE （（ARM_GPDDAT》》13）&1）
#define FPGA 211
//定義主設(shè)備號(hào)，和mknod /dev/fpga c 211 0匹配
typedef char fpga_device_t;
staTIc fpga_device_t fpga_devices［257］;
char buf［1000000］;
int fpga_open（struct inode *， struct file *）;
ssize_t fpga_write（struct file *，const char *，size_t ，loff_t *）;
int fpga_release（struct inode*， struct file *）;
//初始化ARM的D組通用IO管腳
void init_fpga（void）{
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x30，0x55555555）;
//FPGA_BUSY FPGA_DONE FPGA_INIT be set input
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x34，0xFFFF）;
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x30，0x51055555）;
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x38，0）;// put up
set_register_bit（FPGA_CCLK）;//set GCLK
}
staTIc struct file_operaTIons fpga_ctl_fops= {
open： fpga_open，
write： fpga_write，
release： fpga_release，};
int init_module（void） {
printk（“Hello，word，Now preparing FPGA.。..。.\n”）;
printk（“register FPGA.。..。.\n”）;
register_chrdev（FPGA， “fpga”， &fpga_ctl_fops）;
printk（“Done！\n”）;
printk（“Hello，word，success！\n”）;
return 0;
}
int fpga_open（struct inode *inode， struct file *filp）{
int minor;
minor = MINOR（inode-》i_rdev）;
init_fpga（）;
fpga_devices［minor］++;
printk（“FPGA is ready.\n”）;
return 0;
}
ssize_t fpga_write（struct file *flip，const char *buffer，size_t count，loff_t
*ppos）{
int i;
if（copy_from_user（buf，buffer，count））{
printk（“error \n”）;
return -EFAULT;
}
printk（“%d numbers have been received！\n”，count）;
printk（“The number is：%d\n”，count）;
for（i=0;i《count;i++）{
ARM_GPDDAT=（ARM_GPDDAT&0x3F00）|buf［i］;
set_register_bit（FPGA_CCLK）;
}
printk（“data write finished\n”）;
for（i=0;i《4;i++）{
set_register_bit（FPGA_CCLK）;
clear_register_bit（FPGA_CCLK）;
}
return count;
}
int fpga_release（struct inode *inode， struct file *filp）{
int minor;
minor = MINOR（inode-》i_rdev）;
if （fpga_devices［minor］）
fpga_devices［minor］--;
printk（“Goodbye cruel world\n”）;
return 0;
}
void cleanup_module（void）{
printk（“Goodbye cruel world\n”）;
}
5、結(jié)束語(yǔ)
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：基于ARM-Linux平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種FPGA的程序加載模式，加載速度快，靈活高效。
責(zé)任編輯：gt