基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中從串配置FPGA的實(shí)現(xiàn)
1 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/86733.htmARM(Advanced RISC Machines)既可以認(rèn)為是一個(gè)公司。也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的統(tǒng)稱,還可以認(rèn)為是一項(xiàng)技術(shù)?;?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/ARM">ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額,ARM技術(shù)正在逐步滲入到人們生活的各個(gè)方面[1]。到目前為止,ARM微處理器及技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,包括工業(yè)控制領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、成像和安全產(chǎn)品等。
FPGA(Field Programmable Gate Array)是一種高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件,其邏輯功能是通過把設(shè)計(jì)生成的數(shù)據(jù)文件配置到器件內(nèi)部的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)來實(shí)現(xiàn)的。FPGA具有可重復(fù)編程性,能靈活實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。
基于SRAM工藝的FPGA具有易失性。系統(tǒng)掉電以后其內(nèi)部配置數(shù)據(jù)容易丟失,因此需要外接ROM保存其配置數(shù)據(jù),系統(tǒng)上電后必須重新配置數(shù)據(jù)才能正常工作。目前有兩種方案可以實(shí)現(xiàn),一種是使用專用的PROM,以Xilinx公司FPGA,XCFxx系列PROM為例,能夠提供FPGA的配置時(shí)序,上電時(shí)自動(dòng)加載PROM中的配置數(shù)據(jù)到FPGA的SRAM中;另一種是在含有微處理器的系統(tǒng)(如嵌入式系統(tǒng))中采用其他非易失性存儲(chǔ)器如E2PROM、Flash存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù),微處理器模擬FPGA的配置時(shí)序?qū)OM中的數(shù)據(jù)置入FPGA。與第一種方案相比,該方案節(jié)省成本、縮小系統(tǒng)體積。適用于對(duì)成本和體積苛刻要求的系統(tǒng)。
在便攜式虛擬儀器設(shè)計(jì)中,使用嵌入式系統(tǒng)和FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。嵌入式微處理器采用Samsung公司的ARM7TDMI系列處理器S3C44BOX:FPGA采用Xilinx公司的Spartan-3E系列XC3S100E,采用S3C44BOX完成對(duì)XC3S100E的配置。取得了良好效果。
2 從串配置的原理
2.1從串配置原理
Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA產(chǎn)品是采用90 nm工藝的2.5 V低電壓FPGA器
件,具有高性能、低功耗、可無限次編寫的特點(diǎn)。XC3S100E是Spartan-3E系列FPGA中的一款,總門數(shù)達(dá)10萬門,可采用從串、主串、從并、主并、JTAG等模式對(duì)其進(jìn)行配置[2]。XC3S100E與從串配置模式相關(guān)的主要引腳功能如下:
M[2:0]:配置模式選擇。M2、M1、M0均接上拉電阻,即M[2:0]:111時(shí)為從串模式;
CCLK:配置時(shí)鐘,微處理器提供時(shí)鐘源,且上升沿有效:
DIN:串行配置數(shù)據(jù)輸入:
DOUT:串行數(shù)據(jù)輸出,用于菊花鏈?zhǔn)脚渲茫?/p>
PROG_B:低電平異步復(fù)位FPGA內(nèi)部邏輯,內(nèi)部可配置:Memory完全復(fù)位后,該引腳指示高電平。
當(dāng)此引腳為高時(shí),才能配置FPGA:
INIT_B:由低電平到高電平跳變時(shí),采樣配置模式,即M[2:0]的值確定配置方式;配置過程中若出現(xiàn)配置錯(cuò)誤,INIT_B將呈現(xiàn)低電平;
DONE:復(fù)位時(shí)為低電平。若配置成功,則為高電平。
2.2微處理器從串配置:FPGA的時(shí)序
FPGA的配置過程如下:
系統(tǒng)上電后,將PROG_B拉低以復(fù)位FPGA內(nèi)部邏輯重新配置FPGA,充分復(fù)位內(nèi)部邏輯后(約100μs),將PROG_置高。
INIT_B為低電平,PROG_B拉高保持300 ns后,F(xiàn)PGA將INIT_B置高。在INIT_B由低向高跳變的瞬間,采樣配置模式M[2:0]。此系統(tǒng)采用從串配置模式。
在FPGA采樣配置模式后,微處理器就可以向FPGA配置時(shí)鐘CCLK和數(shù)據(jù),在CCLK的上升沿,傳輸數(shù)據(jù)至DIN,數(shù)據(jù)字節(jié)先發(fā)送低位,再發(fā)送高位。配置過程中若發(fā)生錯(cuò)誤,則INIT_B為低電平。
所有的配置數(shù)據(jù)傳送完成,CRC校驗(yàn)無誤。則DONE為高電平,否則為低電平。
DONE為高電平,F(xiàn)PGA釋放全局三態(tài)(GTS),激活I(lǐng)/O引腳,釋放全部置位復(fù)位(GSR)和全局寫使能(GWE)有效,開始執(zhí)行配置區(qū)的邏輯。
微處理器從串配置FPGA的時(shí)序如圖1所示。
2.3 配置文件的產(chǎn)生方法
利用Xilinx公司提供的開發(fā)工具ISE8.1,經(jīng)過綜合、映射、布局布線后可產(chǎn)生編程文件,編程文件含有.bit、.bin、.mcs、.tek、.hex等格式。其中,.bit格式用于JTAG下載,其他幾種格式用于專用PROM編程。首先按照產(chǎn)生專用PROM編程文件的方法來產(chǎn)生.bin文件.然后將該.bin文件轉(zhuǎn)換成ASCⅡ碼文件的存儲(chǔ)形式,并且各個(gè)字節(jié)之間用逗號(hào)分隔。再將該配置數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)程序的一個(gè)頭文件的數(shù)組config_data_array[]中,作為系統(tǒng)程序源代碼的一部分,并和其他程序一起編譯。
3 硬件設(shè)計(jì)
嵌入式微處理器S3C44BOX內(nèi)置ARM7TDMI核,集成了豐富的外圍功能模塊,內(nèi)部8 kB Cache大大提高了性能。S3C44BOX可訪問256MB的地址空間,最高工作頻率達(dá)66 MHz 。采用4 MB Flash作為程序存儲(chǔ)器,可用于存放系統(tǒng)運(yùn)行的代碼。XC3S100E從串配置程序和配置文件都固化于其中保存,該Flash支持低電壓(1.65 V~3.3 V)寫操作。8 MB的SDRAM是程序的運(yùn)行空間,直接運(yùn)行Flash中的代碼,但速度非常慢。通常是將Flash中的代碼移至SDRAM中。S3C44BOX與XC3S100E主要通過PROG_B、INIT_B、DONE、CCLK、DIN 5根信號(hào)線連接,如圖2所示。其中VCC33表示3.3 V,VCC25表示2.5 V。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。配置軟件的編程要確保ARM完全按照配置信號(hào)的時(shí)序工作,關(guān)鍵問題
是采用S3C44BOX的通用I/O口GPF0、GPF1、GPF2、GPF3、GPF4模擬DIN、CCLK、DONE、INIT_B、PROG_B的時(shí)序。
在S3C44BOX中,大多數(shù)引腳都是多功能引腳,可以通過端口配置寄存器選擇相應(yīng)的引腳功能。
以端口F為例,控制寄存器rPCONF用作設(shè)定引腳的輸入、輸出或特殊功能;數(shù)據(jù)寄存器rPDATF[0:8]對(duì)應(yīng)于GPF0~GPF8引腳上的數(shù)據(jù)。讀寫寄存器rPDATF的各個(gè)位對(duì)應(yīng)于引腳的讀或?qū)?。例如,CCLK上升沿時(shí)序是向GPF1先寫0,再寫1得到,延時(shí)程序則由for循環(huán)實(shí)現(xiàn)。
則一直循環(huán)等待
CCLK在每個(gè)上升沿把1 bit的數(shù)據(jù)置入DIN中,先將GPF1置低,在GPF0準(zhǔn)備好1 bit數(shù)據(jù),再將GPF1置高即可,以此循環(huán)將config_data_array[]中的每個(gè)字節(jié)按先低位再高位的次序?qū)懭隖PGA。
Xilinx的FPGA配置文件大小相同,與FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)的復(fù)雜度無關(guān)。以Spartan_3E系列的10萬門FPGA XC3S100E為例,它的配置文件固定為581 344 bit,若CCLK的時(shí)鐘周期置為2μs,配置時(shí)間約為1.2 s。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
驗(yàn)證環(huán)境:硬件采用自行開發(fā)的實(shí)驗(yàn)板和武漢創(chuàng)維特公司的:JTAG硬件仿真器;軟件則使用Xilinx公司的開發(fā)工具ISE8.1和武漢創(chuàng)維特公司的集成開發(fā)環(huán)境ADT 1000(支持ARM7,ARM9)。
利用Verilog HDL編寫程序led.v在七段數(shù)碼管上循環(huán)顯示0~F,采用:ISE8.1編譯、綜合、映射、布局布線。生成用于編程專用PROM的led.bin文件。用一個(gè)簡(jiǎn)單的C程序?qū)?bin文件轉(zhuǎn)換成ASCⅡ碼文件,再將ASCⅡ碼文件復(fù)制到配置數(shù)據(jù)數(shù)組config_data_array[]中,然后在ADT環(huán)境下編譯配置程序、配置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)程序,將生成的.bin文件通過JTAG口燒寫到Flash中。重新上電后,F(xiàn)PGA配置正常,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)設(shè)相一致。
6 結(jié)束語
基于ARM的FPGA從串配置方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接線容易、軟件編程簡(jiǎn)單,非常適用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然該控制電路是為Xilinx公司Spartan-3E系列的FPGA設(shè)計(jì)的,但稍加修改也可用于其他系列FPGA器件,故具有一定的通用性。另外,由于FPGA具有可重復(fù)配置的靈活性,在嵌入式系統(tǒng)中可通過串口、網(wǎng)口遠(yuǎn)程燒寫Flash,重構(gòu)系統(tǒng)功能,這種在線重構(gòu)技術(shù)為設(shè)備的智能化在線維護(hù)、功能重組和在線升級(jí)等提供了可能,而且靈活性很強(qiáng)。本文提出的方案對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義,有著廣闊的應(yīng)用前景。
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評(píng)論