ARM設計的FPGA可重構配置方法的實現(xiàn)及應用

摘要：文中詳述了FPGA被動串行配置方式的時序，給出配置流程圖及實現(xiàn)的程序代碼，并通過實例驗證了該方法的優(yōu)越性及應用前景．通過介紹FPGA的各種配置方式，提出了一種基于ARM處理器的FPGA動態(tài)配置方法，充分利用ARM處理器功能強、速度快、應用廣的特點，結(jié)合FPGA重配置特性，實現(xiàn)了對FPGA的動態(tài)配置．

??? 隨著半導體工藝技術的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA的集成度迅速提高，已達到百萬門量級，與此同時，F(xiàn)PGA中的邏輯資源也日益豐富，使得基于FPGA的片上系統(tǒng)設計成為可能．基于FPGA的片上系統(tǒng)設計因其具有開發(fā)周期短，設計成本低，軟硬件可編程，系統(tǒng)設計靈活、可裁減、可擴充、可升級等優(yōu)點正在成為電子系統(tǒng)設計的研究熱點，且已經(jīng)在通訊、工控等領域得到實際應用．

??? 目前FPGA從實現(xiàn)技術上進行分類，可以分為基于查找表(LuT，k—up table)技術，SRAM工藝的FPGA、基于nash技術的FPGA和基于反熔絲(Anti—fuse)技術的FPGA，而使用最多的還是基于SRAM工藝的FPGA，如Altem的Cycl0ne和S tix系列、xilin)【的Spanan和Virtex系列．基于SRAM 的FPGA片內(nèi)帶有存儲配置位流的sRAM，上電時，將存儲在專用配置芯片中的配置信息加載到FPGA中，從而實現(xiàn)一定的邏輯功能，掉電時片內(nèi)SRAM中的配置數(shù)據(jù)遺失，需要下一次加電時重新加載配置．這種片內(nèi)易失存儲器存儲配置數(shù)據(jù)的結(jié)構，使得FPGA可以在線動態(tài)的對其sRAM中的配置數(shù)據(jù)進行更新，從而實現(xiàn)電路邏輯功能動態(tài)改變．系統(tǒng)可重構主要就是利用基于sRAM的FPGA這種動態(tài)重配置特性才得以實現(xiàn)的，下面就以Altem公司Cyclone II系列FPGA分析其配置方式及其可重構應用．

1 可重構配置方法

??? 根據(jù)FPGA在配置過程中的角色可把cyclone II系列FPGA的配置方式分為三種：FPGA主動串行(As)方式、FPGA被動串行(PS)方式和JATG方式．不同配置模式通過配置模式選擇管腳MsEL[1：0]進行選擇，其中MsEL[1：0]=o0時選擇As模式，MsEL[1：O]=01時選擇PS模式，對于某些串行配置器件當MsEL[1：0]=l0時為快速AS模式，配置速度比PS模式快一倍．Cyclone II系列FPGA支持配置數(shù)據(jù)自解壓，將壓縮的配置數(shù)據(jù)存儲在配置器件或其它存儲器中，配置時傳送壓縮的位流數(shù)據(jù)到FPGA中，F(xiàn)PGA可實時的解壓縮并對內(nèi)部sRAM進行編程，配置數(shù)據(jù)的壓縮比例可達35％-5O％ ，可有效節(jié)省配置存儲空間．

??? 在As方式下，由FPGA主動輸出控制和同步信號給專用串行配置芯片，配置芯片接收到配置命令后，就開始將配置數(shù)據(jù)串行的發(fā)送至FPGA，完成配置工作．目前常用的專用串行配置芯片為容量為4 Mb的EPCS4和16 Mb的EPcS16等．AS配置模式主要用到四個信號：串行數(shù)據(jù)輸入DcLK、控制信號輸入AsDI、片選信號ncs和串行數(shù)據(jù)輸出DATA．

??? 在PS方式下，由系統(tǒng)中其它設備發(fā)起配置過程，F(xiàn)PGA在配置過程中只輸出應答信號，發(fā)起控制配置過程的設備可以是處理器、Altem EPC系列配置芯片、CPLD等功能設備．在下一小節(jié)將對PS配置方式做詳細的介紹．JTAG調(diào)試接口已經(jīng)作為一個標準接口集成在芯片內(nèi)，主要用于芯片的測試，cycl0ne II系列FPGA都支持JTAG方式對FPGA進行配置，JrrAG方式具有比其它配置方式都高的優(yōu)先級．JrI'AG接口定義了四個標準信H號：

● rI℃K測試時鐘，各種信號都需要與測試時鐘同步；

● TDI測試數(shù)據(jù)輸入，測試數(shù)據(jù)串行輸入，數(shù)據(jù)在TCK上升沿傳送；

● TDO測試數(shù)據(jù)輸出，測試數(shù)據(jù)串行輸出，數(shù)據(jù)在TCK下降沿傳送；

●TMs測試模式選擇，決定JTAG電路內(nèi)部TAP控制器狀態(tài)機的變化．

2 基于ARM的配置方法及實現(xiàn)

2．1 PS配置原理

???? 如圖l所示，利用s3c2410x作為主控制器采用被動串行方式對EP2c20內(nèi)部邏輯進行重構．FPGA的PS配置方式是比較常用的一種配置方式，可以有效實現(xiàn)FPGA的在線配置，其基本流程為：在系統(tǒng)中將FPGA被動配置方式配置接口與ARM處理器的IO管腳相連，在處理器端通過軟件控制相應管腳的高低電平將數(shù)據(jù)串行的發(fā)送到FPGA中．重構程序運行在ARM處理器中作為實時系統(tǒng)的一個任務，當需要重配FPcA內(nèi)部邏輯時，調(diào)用相應任務，配置完成后，刪除當前任務即可，因此，可將預先建立的配置文件庫存儲到ARM的nash中，由ARM處理器中運行的配置程序來完成動態(tài)重構任務。FPGA與Ps配置方式有關的管腳功能如表l所示：

?

??? 整個配置過程幾個關鍵信號的時序圖如圖2所示，配置過程可以分為復位、配置和初始化三個階段：

在復位階段，微處理器首先在nc0NFIG信號線上產(chǎn)生一個寬度大于8 s的負脈沖，然后開始檢測nsTATus信號的狀態(tài)．FPGA檢測到ncONFIG信號的下降沿后會迫使nsTATus和cONF—DONE信號拉低，使FPGA處于復位狀態(tài)，當ncONFIG變?yōu)楦唠娖綍r，F(xiàn)PGA退出復位狀態(tài)，釋放漏級開路的nSTATUS管腳，nSTATuS在外部需要被l0 K的上拉電阻拉高，nSTATUS管腳變?yōu)楦唠娖胶螅現(xiàn)PGA即進人配置階段，此時，F(xiàn)PGA已做好了接收配置數(shù)據(jù)的準備．

??? FPGA的nsTATuS管腳變高后，延時5 s左右，在DCLK的上升沿FPGA即可從DA L0管腳串行的接收配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)按低位在先高位在后的順序從數(shù)據(jù)線上送出．當所有數(shù)據(jù)都接收完后釋放漏級開路的CONFIG— DONE管腳，CONFIG—DONE管腳在外部需要被10 K的上拉電阻拉高，CONFIG—DONE管腳由低到高的跳變表明配置階段結(jié)束，F(xiàn)PGA進入初始化階段．如果在配置過程中出現(xiàn)錯誤，則n rATuS管腳將輸出低電平，F(xiàn)PGA在內(nèi)部自動復位，處理器可以通過查詢ns1IATuS管腳狀態(tài)判斷在配置過程中是否有錯誤發(fā)生，如果nsTATuS管腳在配置過程中變低則表明有錯誤發(fā)生，如果在軟件中設置了錯誤發(fā)生后自動重新開始配置選項則FPcA會延時一段時間后釋放nsTATuS，此時nsTATuS被外部上拉電阻拉高，CPu在nsTA—Tus上檢測到一個由低到高的跳變后重新開始配置．若軟件中未設置“錯誤發(fā)生后自動重新開始配置”選項則需要CPu首先將nCONFIC管腳置低再拉高以開始重新配置．

??? 在初始化階段，初始化時鐘可以是FPGA內(nèi)部時鐘或外部由CLKusR管腳提供的時鐘，本例使用了FPGA內(nèi)部時鐘，F(xiàn)PGA將為初始化提供時鐘，這樣，初始化階段不再需要外部時鐘．初始化階段完成后INIT—DONE管腳變?yōu)楦唠娖?，指示FPGA成功進人用戶模式，配置過程結(jié)束．需要注意的是，若此時CONF—DONE或INIT_DONE未變?yōu)楦唠娖?，則表明此次配置過程不成功，需要cPu重新進行配置．

2．2 配置程序設計

?? 下面是完整的重構程序及流程圖(圖3所示)，作為s3c24lOx ARM處理器 μC／OS—II實時操作系統(tǒng)的一個任務運行，但在工程應用中要結(jié)合實際情況做適當修改．

基于μC／OS—II配置程序：

U8Fpga～DownLoad(v0id)

{U8 Bootaddr；

U32 CountNum =O柏：

u8 FpgaBu如；

U16 i：

Bo0taddT：(u8 )(O】(33ooooo0)；／ 配置數(shù)據(jù)起始地址 ／

SeI— Datao(O)；

seLnCONFIG(0)；／_將ncONFIG置低電平 ／

set— DCLK(O)；

hude1ay(10)；／}延時1O ／

if(Re們一nSTATUS)

{prin (”err0r：nSTATuSis 1 1”)；

retum O；}

Set— nC0NFIG(1)；

while(!Read—nsTATUS)；

hudelay(5)；

p nd(”十co gIlre FPGA．-)；

while(c0untNum <=O)(24294)／}串行配置數(shù)據(jù) ／

{FpgaBu任er= (Bo0t＆ddT+c0un um)；

if(!(CountNum％1O24))pdnd(”．”)；

f0r(．_O；i<8；i++)

{Set—Data0(FpgaBu丘 腳 1)；

hudelay(1)；

seLDCLK(O)；

FpgaBu艉r> > = 1；

if(!ReaⅡ一ns1、ATUS)

{ nEf(”＼n、卜C0 gure Error：nsTATus is 0 1、n )；

ren】m O；}

Set— DCLK(1)；

}

C0untNum + + ：

}

SeI— Datao(O)；

S eI— DCLK(O)；

if(!Reau—nsTATuS)

{p ntf(”、n＼r—Configure Ermr：nsrATus is O!、n、r )；

retum O；}}

else if(Read—nC0NF—Done)

{p ntf(”＼n＼卜-Co gure success! 、n )；}

fnr(i=O；i(5O；i++)／ 初始化 ／

{Set—DcLK(1)；

hudeIay(1)；

Set— DCLK(O)；

hude1．dy(1)；} 、

if(!Read—nC0NF—D0ne)

{printf(”、r＼n—configure En r：nCO F—Done is 0 1”)；

retum 0：}

retum l：

{

3 可重構配置應用

??? 結(jié)合上述可重構配置分析，我們利用了FPGA可重構特性，實現(xiàn)模塊化機器人控制器的設計．模塊化機器人結(jié)構復雜，控制電機數(shù)量多，而且針對不同構形控制策略也有差別，如四自由度串聯(lián)式機器手構形和全向移動小車構形(圖4所示)從控制策略到控制電機數(shù)量都有很大的不同，這就要求控制器可以根據(jù)不同構形動態(tài)的改變控制策略，也即控制器的可重構．為此，在模塊化機器人可重構控制模塊結(jié)構設計中，提出基于ARM和FPGA的動態(tài)可重構的模塊化機器人控制系統(tǒng)方案，充分利用嵌入式ARM核微處理器高性能、低功耗、資源豐富等方面的性能和FPGA內(nèi)部邏輯可重構的特性，由主處理器根據(jù)機器人當前構形選擇不同的控制策略并對FPGA內(nèi)部邏輯進行動態(tài)重配，以適應不同構形及應用的需要．結(jié)構設計框圖如圖5所示。

?

??? ARM模塊選用s3c241Ox運行 C／OS—II實時操作系統(tǒng)，負責運行控制軟件，完成模塊化機器人運動規(guī)劃，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互功能及對FPGA內(nèi)部邏輯實時重構．FPGA內(nèi)部運行軟核處理器，負責與模塊化機器人運動控制相關的任務，如舵機控制、直流電機控制、系統(tǒng)IO控制、傳感器數(shù)據(jù)采集等任務．

??? 對FPGA配置采用上述基于ARM的PS配置方法，平臺充分利用了FPcA內(nèi)部邏輯可重構的特性，可組成多種不同構形，不同構形具有不同的物理結(jié)構和控制方式，以滿足不同任務需求．其重構方法采用：

(1)根據(jù)具體構形規(guī)劃系統(tǒng)硬件資源種類，如構形需要的直流電機數(shù)量、舵機數(shù)量、系統(tǒng)I／，O數(shù)量以及各種傳感器的數(shù)目．

(2)根據(jù)硬件資源種類修改FPcA內(nèi)部邏輯，實現(xiàn)硬件層次的“重構”．

(3)根據(jù)FPGA邏輯的變化，進行軟件的開發(fā)，實現(xiàn)軟件層次的“重構”．

(4)將FPGA配置文件下載到ARM的存儲器中，系統(tǒng)上電后，ARM結(jié)合需求通過讀取相應存儲區(qū)的配

置文件對FPGA進行配置，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的動態(tài)重構．

經(jīng)過實驗驗證，利用ARM的實時處理功能，對FPGA內(nèi)部邏輯進行動態(tài)重配，所設計的控制平臺可以滿足可重構配置的性能要求．

4 結(jié)語

文中給出了基于ARM的FPGA的Ps加載配置方案，該方法電路結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)，充分利用ARM處理器功能強、速度快、應用廣的特點，在系統(tǒng)中可預先包含多個不同功能的配置文件，根據(jù)現(xiàn)場的需要進行相應的配置，實現(xiàn)在線更新FPGA功能，既節(jié)省了開發(fā)成本，又滿足了一些特殊的系統(tǒng)設計要求，也充分顯示出FPGA現(xiàn)場升級、靈活運用的設計理念，方案的提出，對嵌人式數(shù)字系統(tǒng)設計具有相當?shù)慕梃b意義．