基于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA容量大，可重復(fù)操作，應(yīng)用相當(dāng)廣泛;但其結(jié)構(gòu)類似于SRAM，掉電后數(shù)據(jù)丟失，因此每次上電時(shí)都需重新加載。

目前實(shí)現(xiàn)加載的方法通常有兩種：一種是用專用Cable通過(guò)JTAG口進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，另一種是外掛與該FPGA廠商配套的PROM芯片。前者需要在PC機(jī)上運(yùn)行專用的加載軟件，直接下載到FPGA片內(nèi)，所以掉電數(shù)據(jù)仍然會(huì)丟失，只適用于FPGA調(diào)試階段而不能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)加載。

后者雖然可以解決數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，但這種專用芯片成本較高，供貨周期也較長(zhǎng)（一般大于2個(gè)月），使FPGA產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間受到很大約束。因此希望找到一種更簡(jiǎn)便實(shí)用的FPGA芯片數(shù)據(jù)加載方法。根據(jù)FPGA芯片加載時(shí)序分析，本文提出了采用通過(guò)市面上常見(jiàn)的Flash ROM芯片替代專用PROM的方式，通過(guò)DSP的外部高速總線進(jìn)行FPGA加載;既節(jié)約了系統(tǒng)成本，也能達(dá)到FPGA上電迅速加載的目的;特別適用于在FPGA調(diào)試后期，待固化程序的階段。下面以兩片Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX60芯片為例，詳細(xì)介紹采用TI公司的TMS320C61416DSP控制FPGA芯片數(shù)據(jù)加載的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 Xilinx FPGA配置原理

Virtex-4系列的FPGA芯片外部配置引腳MODE PIN（M0、M1、M2），有5種配置模式，如表1所列。

FPGA在Slave SelectMAP方式下，共用了表2所列的15個(gè)配置引腳。

1.1 配置流程

FPGA加載時(shí)序如圖1所示。各配置信號(hào)必須滿足其時(shí)序關(guān)系，否則配置工作無(wú)法正常完成。

圖1中，Slave SelelctMAP加載主要包括以下3個(gè)步驟：

①啟動(dòng)和初始化。FPGA上電正常后，通過(guò)PROG_B引腳低脈沖進(jìn)行FPGA異步復(fù)位，使得FPGA內(nèi)部邏輯清零。其次PROG_B上拉高，停止外部復(fù)位，INIT_B引腳會(huì)在TPOR時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變，指示FPGA內(nèi)部初始化完成，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)下載;同時(shí)FPGA在INIT_B的上升沿采樣其模式引腳MODE PIN，決定其模式配置。

②比特流加載。INIT_B信號(hào)變高后，不需要額外的等待時(shí)間，Virtex器件就可以立即開(kāi)始數(shù)據(jù)的配置。比特流數(shù)據(jù)在外部CCLK信號(hào)上升沿按字節(jié)方式置入。該過(guò)程包括同步初始化字、器件ID號(hào)校驗(yàn)、加載配置數(shù)據(jù)幀、CRC校驗(yàn)4個(gè)部分。

③STARTUP啟動(dòng)。在成功校驗(yàn)CRC碼位后，比特流命令使得FPGA進(jìn)入STARTUP狀態(tài)。它是由8相狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。中間包括等待DCM鎖相、DCI匹配等幾個(gè)狀態(tài)，最后FPGA釋放外部DONE引腳，對(duì)外輸出高阻態(tài)，由外部上拉高，指示FPGA加載成功。

1.2 文件生成

ISE生成數(shù)據(jù)文件主要有3種：BIT文件，由二進(jìn)制格式進(jìn)行表征邏輯設(shè)計(jì)，包括文件頭和配置數(shù)據(jù)，主要用于JTAG下載電纜模式;MCS文件，為外部PROM燒寫生成的下載文件，ASCII碼，與前者不同的是它含有在PROM中的數(shù)據(jù)地址和校驗(yàn)值;BIN文件格式，由二進(jìn)制表示，完全由配置數(shù)據(jù)組成，不需要作其他的提取和進(jìn)制轉(zhuǎn)換，只是配置前的Byte-Swapped是在CPLD中實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用的是BIN文件格式。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用2片Xilinx Virtex-4系列的600萬(wàn)門的FPGA XC4VLX60。主MCU是TI公司高性能定點(diǎn)處理器TMS320C6416，對(duì)外有2個(gè)EMIF總線接口，分別是64位寬EMIFA和16位寬EMIFB。EMIFB上掛有8位8MB的Flash和16位CPLD：Flash做2片F(xiàn)PGA的BIN文件保存，之前由仿真器燒寫;CPLD用于2片F(xiàn)PGA地址譯碼和DSP與FPGA配置部分的邏輯接口。整個(gè)數(shù)據(jù)流程是在DSP上電啟動(dòng)后，Bootloader自行引導(dǎo)用戶程序運(yùn)行。該程序負(fù)責(zé)由EMIFB總線搬移Flash空間中BIN文件，通過(guò)CPLD分別對(duì)2片F(xiàn)PGA進(jìn)行配置加載。硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括3部分：引導(dǎo)Bootloader代碼，加載FPGA用戶程序以及接口部分的CPLD Verilog代碼。

3.1 DSP Bootloader

本系統(tǒng)中目標(biāo)板處于FPGA調(diào)試后期，需要固化其加載程序。整板上電后，要求脫離仿真器自行加載FPGA，因此這里采用DSP的EMIF BooT方式。它是由DSP上電復(fù)位后，以默認(rèn)ROM時(shí)序通過(guò)EDMA自行搬移BCE1的ROM空間前1 KB內(nèi)容到片內(nèi)，在其0x0地址開(kāi)始運(yùn)行。

一般由C編寫的程序代碼長(zhǎng)度都遠(yuǎn)大于1 KB，如果只是純粹由DSP搬移Flash前1 KB空間，這樣便會(huì)丟失數(shù)據(jù)，程序無(wú)法正常運(yùn)行。這里采用由匯編語(yǔ)言寫的一個(gè)兩次搬移的Bootloader程序，來(lái)引導(dǎo)較大的用戶程序。使用匯編語(yǔ)言是因?yàn)槠浯a效率高，代碼長(zhǎng)度短（本系統(tǒng)中只有256字節(jié)）。兩次搬移是因?yàn)榈谝淮蜠SP自行搬移后的Bootloader會(huì)占用片內(nèi)的0x0地址前1 KB空間，與下一步的用戶程序0x0地址拷貝沖突（中斷向量表必須放在0x0地址，否則會(huì)丟失中斷跳轉(zhuǎn)的絕對(duì)地址），且運(yùn)行中的Bootloader不能覆蓋自身。所以把拷貝用戶程序的那部分代碼放在片內(nèi)較底端運(yùn)行，騰出了用戶空間的0x0地址。最后整體拷貝結(jié)束后，Bootloader再跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口地址c_int00運(yùn)行。

3.2 用戶程序和CPLD程序

本系統(tǒng)中2片F(xiàn)PGA加載的原理一樣。為避免繁瑣，這里以1片F(xiàn)PGA_A為例來(lái)作介紹。

CPLD在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)2項(xiàng)工作。

①映射DSP端Flash分頁(yè)寄存器：控制Flash的高3位地址線，分8頁(yè)，每頁(yè)1 MB空間。

②映射DSP端2片F(xiàn)PGA的加載寄存器：

a.配置寄存器FpgaA（B）_config_Reg［8：O］。負(fù)責(zé)配置數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，高8位為Byte-Swapped前的數(shù)據(jù)位，輸出到配置引腳時(shí)進(jìn)行字節(jié)交換，最低位為CCLK位。

b.控制寄存器FpgaA（B）_Prog_Reg［2：O］。負(fù)責(zé)外部控制引腳，分別為CS_B、RDWR_B和PROG_B。

c.狀態(tài)寄存器FpgaA（B）_State_Reg［2：0］。負(fù)責(zé)回讀配置中的握手信號(hào)，分別為BUSY、DONE和INIT_B。

由Bootloader引導(dǎo)的用戶程序由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，在CCS下調(diào)試通過(guò)。它主要實(shí)現(xiàn)Flash翻頁(yè)，把之前燒寫在Flash中的BIN文件，通過(guò)上述CPLD中3個(gè)加載寄存器對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置。具體流程如圖3所示。

當(dāng)前FPGA配置時(shí)鐘CCLK是在用戶程序中通過(guò)DSP寫命令產(chǎn)生的，即寫FpgaA（B）_Config_Reg的CCLK位高低電平;同時(shí)8位配置數(shù)據(jù)也連續(xù)寫2次，由CPLD鎖存到FPGA總線上，便能充分保證圖1中該有效數(shù)據(jù)在CCLK上升沿上被鎖。

以下是CPLD中動(dòng)態(tài)加載部分的Verilog代碼：

//FPGA控制寄存器（DSP只寫）

結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)已成功用于某公司一款軟件無(wú)線電平臺(tái)中，通過(guò)反復(fù)軟硬件調(diào)試，現(xiàn)已投放市場(chǎng)。此外，由于該系統(tǒng)中的DSP芯片TMS320C6416自帶PCI橋，因此該平臺(tái)設(shè)計(jì)有與主機(jī)通信的CPCI接口，支持32位的PCI總線帶寬，最大數(shù)據(jù)吞吐率能達(dá)到133 MB/s。所以，此平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)上述提到的上電Flash自行加載FPGA的目的，還可在其配置完以后通過(guò)主機(jī)端對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，充分滿足了軟件無(wú)線電中可重構(gòu)化、實(shí)時(shí)靈活的指導(dǎo)思想。

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