用ARM對FPGA進(jìn)行配置的原理與方法

0引言

基于SRAM工藝FPGA在每次上電后需要進(jìn)行配置，通常情況下FPGA的配置文件由片外專用的EPROM來加載。這種傳統(tǒng)配置方式是在FPGA的功能相對穩(wěn)定的情況下采用的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求配置速度高、容量大、以及遠(yuǎn)程升級時(shí)，這種方法就顯得很不實(shí)際也不方便。本文介紹了通過ARM對可編程器件進(jìn)行配置的的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 配置原理與方式

1.1配置原理

在FPGA正常工作時(shí)，配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM單元中，這個(gè)SRAM單元也被稱為配置存儲(chǔ)器(Configuration RAM)。由于SRAM是易失性的存儲(chǔ)器，因此FPGA在上電之后，外部電路需要將配置數(shù)據(jù)重新載入到片內(nèi)的配置RAM中。在芯片配置完成后，內(nèi)部的寄存器以及I/O管腳必須進(jìn)行初始化。等初始化完成以后，芯片才會(huì)按照用戶設(shè)計(jì)的功能正常工作。

1.2配置方式

根據(jù)FPGA在配置電路中的角色，其配置數(shù)據(jù)可以使用3種方式載入到目標(biāo)器件中:

·FPGA主動(dòng)(Active)方式;

·FPGA 被動(dòng)(Passive)方式;

·JTAG 方式;

在FPGA 主動(dòng)方式下，由目標(biāo)FPGA來主動(dòng)輸出控制和同步信號(包括配置時(shí)鐘)給專用的一種串行配置芯片，在配置芯片收到命令后，就把配置數(shù)據(jù)發(fā)到FPGA，完成配置過程。在被動(dòng)方式下，由系統(tǒng)中的其他設(shè)備發(fā)起并控制配置過程，F(xiàn)PGA只輸出一些狀態(tài)信號來配合配置過程。被動(dòng)方式包括被動(dòng)串行PS(Passive Serial )、快速被動(dòng)并行FPP(Fast Passive Parallel)、被動(dòng)并行同步PPS(Passive Parallel Serial)、被動(dòng)并行異步PPA(Passive Parallel Asynchronous)、以及被動(dòng)串行異步PSA(Passive Serial Asynchronous)。JTAG是IEEE 1149.1邊界掃描測試的標(biāo)準(zhǔn)接口。從JTAG接口進(jìn)行配置可以使用Altera的下載電纜，通過Quartus工具下載，也可以采用微處理器來模擬 JTAG時(shí)序進(jìn)行配置。

2硬件電路設(shè)計(jì)

AT91ARM9200對EP1C6配置的硬件電路示意圖如圖1所示。

在配置FPGA時(shí)，首先需要將年nCONFIG拉低(至少40us), 然后拉高。當(dāng)nCONFIG被拉高后，F(xiàn)PGA的nSTATUS也將變高，表示這時(shí)已經(jīng)可以開始配置，外部電路就可以用DCLK的時(shí)鐘上升沿一位一位地將配置數(shù)據(jù)寫進(jìn)FPGA中。當(dāng)最后一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)寫入以后，CONFIG_DONE管腳被FPGA釋放，被外部的上拉電阻拉高，F(xiàn)PGA隨即進(jìn)入初始化狀態(tài)。

圖 1 ARM配置FPGA電路原理圖

3軟件設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)時(shí)使用Linux系統(tǒng)，軟件編寫和調(diào)試是在ADS 下。主要程序如下：