ARM设计的FPGA可重构配置方法的实现及应用

摘要：文中详述了被动串行配置方式的时序，给出配置流程图及实现的程序代码，并通过实例验证了该方法的优越性及应用前景．通过介绍FPGA的各种配置方式，提出了一种基于ARM处理器的FPGA动态配置方法，充分利用ARM处理器功能强、速度快、应用广的特点，结合FPGA重配置特性，实现了对FPGA的动态配置．

随着半导体工艺技术的迅猛发展，现场可编程逻辑器件FPGA的集成度迅速提高，已达到百万门量级，与此同时，FPGA中的逻辑资源也日益丰富，使得基于FPGA的片上系统设计成为可能．基于FPGA的片上系统设计因其具有开发周期短，设计成本低，软硬件可编程，系统设计灵活、可裁减、可扩充、可升级等优点正在成为电子系统设计的研究热点，且已经在通讯、工控等领域得到实际应用．

目前FPGA从实现技术上进行分类，可以分为基于查找表(LuT，k—up table)技术，SRAM工艺的FPGA、基于nash技术的FPGA和基于反熔丝(Anti—fuse)技术的FPGA，而使用最多的还是基于SRAM工艺的FPGA，如Altem的Cycl0ne和S tix系列、xilin)【的Spanan和Virtex系列．基于SRAM 的FPGA片内带有存储配置位流的sRAM，上电时，将存储在专用配置芯片中的配置信息加载到FPGA中，从而实现一定的逻辑功能，掉电时片内SRAM中的配置数据遗失，需要下一次加电时重新加载配置．这种片内易失存储器存储配置数据的结构，使得FPGA可以在线动态的对其sRAM中的配置数据进行更新，从而实现电路逻辑功能动态改变．系统可重构主要就是利用基于sRAM的FPGA这种动态重配置特性才得以实现的，下面就以Altem公司Cyclone II系列FPGA分析其配置方式及其可重构应用．

1 可重构配置方法

根据FPGA在配置过程中的角色可把cyclone II系列FPGA的配置方式分为三种：FPGA主动串行(As)方式、FPGA被动串行(PS)方式和JATG方式．不同配置模式通过配置模式选择管脚MsEL[1：0]进行选择，其中MsEL[1：0]=o0时选择As模式，MsEL[1：O]=01时选择PS模式，对于某些串行配置器件当MsEL[1：0]=l0时为快速AS模式，配置速度比PS模式快一倍．Cyclone II系列FPGA支持配置数据自解压，将压缩的配置数据存储在配置器件或其它存储器中，配置时传送压缩的位流数据到FPGA中，FPGA可实时的解压缩并对内部sRAM进行编程，配置数据的压缩比例可达35％-5O％ ，可有效节省配置存储空间．

在As方式下，由FPGA主动输出控制和同步信号给专用串行配置芯片，配置芯片接收到配置命令后，就开始将配置数据串行的发送至FPGA，完成配置工作．目前常用的专用串行配置芯片为容量为4 Mb的EPCS4和16 Mb的EPcS16等．AS配置模式主要用到四个信号：串行数据输入DcLK、控制信号输入AsDI、片选信号ncs和串行数据输出DATA．

在PS方式下，由系统中其它设备发起配置过程，FPGA在配置过程中只输出应答信号，发起控制配置过程的设备可以是处理器、Altem EPC系列配置芯片、CPLD等功能设备．在下一小节将对PS配置方式做详细的介绍．JTAG调试接口已经作为一个标准接口集成在芯片内，主要用于芯片的测试，cycl0ne II系列FPGA都支持JTAG方式对FPGA进行配置，JrrAG方式具有比其它配置方式都高的优先级．JrI'AG接口定义了四个标准信H号：

● rI℃K测试时钟，各种信号都需要与测试时钟同步；

● TDI测试数据输入，测试数据串行输入，数据在TCK上升沿传送；

● TDO测试数据输出，测试数据串行输出，数据在TCK下降沿传送；

●TMs测试模式选择，决定JTAG电路内部TAP控制器状态机的变化．

2 基于ARM的配置方法及实现

2．1 PS配置原理

如图l所示，利用s3c2410x作为主控制器采用被动串行方式对EP2c20内部逻辑进行重构．FPGA的PS配置方式是比较常用的一种配置方式，可以有效实现FPGA的在线配置，其基本流程为：在系统中将FPGA被动配置方式配置接口与ARM处理器的IO管脚相连，在处理器端通过软件控制相应管脚的高低电平将数据串行的发送到FPGA中．重构程序运行在ARM处理器中作为实时系统的一个任务，当需要重配FPcA内部逻辑时，调用相应任务，配置完成后，删除当前任务即可，因此，可将预先建立的配置文件库存储到ARM的nash中，由ARM处理器中运行的配置程序来完成动态重构任务。FPGA与Ps配置方式有关的管脚功能如表l所示：

整个配置过程几个关键信号的时序图如图2所示，配置过程可以分为复位、配置和初始化三个阶段：

在复位阶段，微处理器首先在nc0NFIG信号线上产生一个宽度大于8 s的负脉冲，然后开始检测nsTATus信号的状态．FPGA检测到ncONFIG信号的下降沿后会迫使nsTATus和cONF—DONE信号拉低，使FPGA处于复位状态，当ncONFIG变为高电平时，FPGA退出复位状态，释放漏级开路的nSTATUS管脚，nSTATuS在外部需要被l0 K的上拉电阻拉高，nSTATUS管脚变为高电平后，FPGA即进人配置阶段，此时，FPGA已做好了接收配置数据的准备．

FPGA的nsTATuS管脚变高后，延时5 s左右，在DCLK的上升沿FPGA即可从DA L0管脚串行的接收配置数据，配置数据按低位在先高位在后的顺序从数据线上送出．当所有数据都接收完后释放漏级开路的CONFIG— DONE管脚，CONFIG—DONE管脚在外部需要被10 K的上拉电阻拉高，CONFIG—DONE管脚由低到高的跳变表明配置阶段结束，FPGA进入初始化阶段．如果在配置过程中出现错误，则n rATuS管脚将输出低电平，FPGA在内部自动复位，处理器可以通过查询ns1IATuS管脚状态判断在配置过程中是否有错误发生，如果nsTATuS管脚在配置过程中变低则表明有错误发生，如果在软件中设置了错误发生后自动重新开始配置选项则FPcA会延时一段时间后释放nsTATuS，此时nsTATuS被外部上拉电阻拉高，CPu在nsTA—Tus上检测到一个由低到高的跳变后重新开始配置．若软件中未设置“错误发生后自动重新开始配置”选项则需要CPu首先将nCONFIC管脚置低再拉高以开始重新配置．

在初始化阶段，初始化时钟可以是FPGA内部时钟或外部由CLKusR管脚提供的时钟，本例使用了FPGA内部时钟，FPGA将为初始化提供时钟，这样，初始化阶段不再需要外部时钟．初始化阶段完成后INIT—DONE管脚变为高电平，指示FPGA成功进人用户模式，配置过程结束．需要注意的是，若此时CONF—DONE或INIT_DONE未变为高电平，则表明此次配置过程不成功，需要cPu重新进行配置．