基于ARM的FPGA加载配置实现

基于ARM的FPGA加载配置实现基于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（ConfigurationRAM）。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（PassiveSerial）、快速被动并行FPP（FastPassiveParallel）、被动并行同步PPS（PassiveParallelSerial）、被动并行异步PPA（PassiveParallelAsynchronous）、以及被动串行异步PSA（PassiveSerialAsynchronous）。JTAG是IEEE1149.1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1ARM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：staticAT91PS_PIOpioc;inlinevoidpioc_out_0(intmask){pioc-PIO_CODR=mask;}inlinevoidpioc_out_1(intmask){pioc-PIO_SODR=mask;}inlineintpioc_in(intmask){returnpioc-PIO_PDSR&mask;}inlinevoidxmit_byte(charc){inti;for(i=0;i8;i++){if(c&1)pioc_out_1(DATA0);elsepioc_out_0(DATA0);pioc_out_0(DCLK);pioc_out_1(DCLK);c=1;}}voidpioc_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;}intpioc_map(){intfd;off_taddr=0xFFFFF800;//PIOcontrollerCstaticvoid*base;if((fd=open(/dev/mem,O_RDWR|O_SYNC))==-1){printf(Cannotopen/dev/mem.\n);return0;}printf(/dev/memopened.\n);base=mmap(0,MAP_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,addr&~MAP_MASK);if(base==(void*)-1){printf(Cannotmmap.\n);return0;}printf(Memorymappedataddress%p.\n,base);pioc=base+(addr&MAP_MASK);return1;}intmain(intargc,char**argv){FILE*file;chardata[16];intnbytes,i;?if(argc!=2){printf(%s\n,argv[0]);return-1;}file=fopen(argv[1],r);if(!file){printf(File%snotfound.\n,argv[1]);return-1;}if(!pioc_map())return-1;pioc_setup();pioc_out_0(nCONFIG);for(i=0;i10000&&pioc_in(nSTATUS);i++){}if(i==10000){printf(nSTATUS=1beforeattemptingconfiguration.\n);return-1;}pioc_out_1(nCONFIG);for(i=0;i10000&&!pioc_in(nSTATUS);i++){}if(i==10000){printf(TimeoutwaitingfornSTATUS=1.\n);return-1;}while((nbytes=fread(data,sizeof(char),sizeof(data),file))0){if(pioc_in(CONF_DONE)){printf(CONF_DONE=1whiletransmittingdata.\n);return-1;}if(!pioc_in(nSTATUS)){printf(nSTATUS=0whiletransmittingdata.\n);return-1;}for(i=0;inbytes;i++)xmit_byte(data[i]);}for(i=0;i10000&&!pioc_in(CONF_DONE);i++){if(!pioc_in(nSTATUS)){printf(nSTATUS=0whiletransmittingdata.\n);return-1;}pioc_out_0(DATA0);pioc_out_0(DCLK);pioc_out_1(DCLK);}if(i==10000){printf(TimeoutwaitingforCONF_DONE=1.\n);return-1;}return0;}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。