Leon3的接口配置設(shè)計

摘要：與通常采用外圍的CPLD器件和CPU來產(chǎn)生配置接口控制邏輯的方法不同，本文設(shè)計了采用嵌入到FPGA的Leon3開源CPU軟核來控制實現(xiàn)Virtex系列FPGA的SelectMap接口配置的方法，可將其應(yīng)用于對FPGA芯片的在線配置。該方法設(shè)計成本低，不局限于某一類型的FPGA芯片，減少了外圍分立元件的使用，增強了設(shè)計的靈活性。仿真結(jié)果表明該設(shè)計滿足SelectMap接口配置所需控制邏輯要求，可以完成FPGA的并行配置。

　　關(guān)鍵詞：FPGA;嵌入式CPU;Leon3軟核;SelectMap接口

　　引言

　　隨著FPGA和SOPC技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比，具有設(shè)計周期短、設(shè)計風險和設(shè)計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復等優(yōu)點?；贔PGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和市場逐漸成熟，使得嵌入式CPU軟核(如Xilinx公司推出的MicroBlaze、Altera公司的Nios、歐空局開發(fā)的Leon3軟核等)的大量應(yīng)用成為可能。

　　本文結(jié)合具體應(yīng)用需求，介紹了利用嵌入式CPU Leon3軟核處理器對Virtex系列FPGA的配置進行控制的方法。此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的重構(gòu)，并且減少了外圍CPU和CPLD器件的使用，具有很好的應(yīng)用價值。

　　1 Leon3軟核

　　Leon3是歐空局開發(fā)的32位CPU軟核，其標準版是一種開源的軟核，使用GNU LGPL授權(quán)協(xié)議，可以免費地應(yīng)用于研究、教學和商業(yè)目的。Leon3軟核使用VHDL語言描述，與SPARC V8兼容，使用7級流水線，集成了全流水的IEEE-754浮點處理器，提高了對多處理器的支持。由于Leon系列指令集符合SPARC V8標準，外部總線符合AMBA標準，兼容軟件和IP核資源極其豐富，加上其開放源代碼的策略，對它的研究和應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。Leon3軟核具有良好的可配置性和可移植性，能夠根據(jù)需要靈活地選擇外圍控制器。并且該軟核不是FPGA廠商推出的，因此可以應(yīng)用于不同類型的FPGA芯片。Leon3開源軟核的Grlib IP庫中提供了多種功能模塊，如串口控制器、存儲器控制器、通用可編程I/O等，把該軟核及其外圍的控制模塊集成到FPGA中，構(gòu)成一個嵌入式片上系統(tǒng)。

　　2 SelectMap接口配置系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 Virtex系列FPGA配置方式

　　Virtex系列FPGA基于SRAM工藝，共有4種配置方式：主串(master serial)、從串(slave setial)、SelectMap和邊界掃描(boundarysca-n)。串行(主串或從串)模式需要的配置信號少(PROGRAM、CCLK、DIN、INIT、DONE)，F(xiàn)PGA在配置時鐘的上升沿接收1位配置數(shù)據(jù)，該配置方式速度較慢。邊界掃描模式?jīng)]有存儲芯片，掉電后需重新配置，所以該種配置方式多用于調(diào)試階段。SelectMap模式是一種8位并行配置模式，它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式，其配置時鐘最高可達66MHz，每個配置時鐘周期內(nèi)有8位配置數(shù)據(jù)下載到FPGA內(nèi)。在對配置速度要求較高的一些應(yīng)用場合，一般采用SelectMap配置方式。

　　SelectMap配置方式所需引腳及相應(yīng)功能如表1所列。表中BUSY信號是握手信號，只有當配置時鐘的頻率超過50MHz時才起作用，本設(shè)計的配置時鐘頻率低于50MHz，因此不使用BUSY信號。M(2：0)是模式選擇信號，在SelectMap配置模式下，M(2：0)應(yīng)置為110。

2.2 SelectMap接口配置硬件設(shè)計實現(xiàn)

　　本文設(shè)計的SelectMap接口配置系統(tǒng)由兩片F(xiàn)PGA和存儲器(Flash)構(gòu)成，如圖1所示。設(shè)計中FPGA1選用了Xilinx公司Virtex系列芯片Vir-tex-5 XC5VSX95T，是需要進行配置的芯片。FPGA2內(nèi)部嵌入了Leon3 CPU軟核，可利用該CPU軟核的存儲控制器模塊對Flash進行讀寫控制;利用FPGA內(nèi)部豐富的資源，在FPGA2內(nèi)部集成一個自定義的SelectMap接口控制IP核，主要用來產(chǎn)生FPGA的配置信號，這些SelectMap配置信號的狀態(tài)由嵌入在FPGA2內(nèi)部的CPU Leon3軟核監(jiān)控。該設(shè)計采用開源的Leon3軟核CPU，并且充分利用了FPGA豐富的資源，與通常的SelectMap配置系統(tǒng)相比，設(shè)計成本低，設(shè)計較靈活。

　Flash存儲器采用Intel公司的JS28F256P30T95，具有32 MB的存儲空間，用來存儲FPGA1的配置數(shù)據(jù)。因為Flash的每個地址空間中存儲著16位數(shù)據(jù)，Leon3 CPU處理器讀取Flash地址中的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)以字節(jié)形式傳送到FPGA2。這個過程中，CPU處理器所在的FPGA2為FPGA1提供配置時序控制信號。這些控制信號的產(chǎn)生由FPGA2內(nèi)部集成的SelectMap接口控制IP核實現(xiàn)。該IP核的功能模塊由3個寄存器組成：配置寄存器、編程寄存器和輸入寄存器。每次CPU對Flash進行讀或?qū)懖僮鲿r，這些寄存器存儲FPGA1的配置信號數(shù)據(jù)。其中配置寄存器和編程寄存器為只寫寄存器，輸入寄存器為只讀寄存器。詳細的邏輯框圖如圖2所示。CPU數(shù)據(jù)線在SelectMap接口控制IP核內(nèi)部寄存器的構(gòu)成如表2所列。