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FPGA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．

2．2 配置程序设计

   下面是完整的重构程序及流程图(图3所示)，作为s3c24lOx ARM处理器 μC／OS—II实时操作系统的一个任务运行，但在工程应用中要结合实际情况做适当修改．

基于μC／OS—II配置程序：

U8Fpga～DownLoad(v0id)

{U8 Bootaddr；

U32 CountNum =O柏：

u8 FpgaBu如；

U16 i：

Bo0taddT：(u8 )(O】(33ooooo0)；／ 配置数据起始地址 ／

SeI— Datao(O)；

seLnCONFIG(0)；／_将ncONFIG置低电平 ／

set— DCLK(O)；

hude1ay(10)；／}延时1O ／

if(Re们一nSTATUS)

{prin (”err0r：nSTATuSis 1 1”)；

retum O；}

Set— nC0NFIG(1)；

while(!Read—nsTATUS)；

hudelay(5)；

p nd(”十co gIlre FPGA．-)；

while(c0untNum <=O)(24294)／}串行配置数据 ／

{FpgaBu任er= (Bo0t＆ddT+c0un um)；

if(!(CountNum％1O24))pdnd(”．”)；

f0r(．_O；i<8；i++)

{Set—Data0(FpgaBu丘 脚 1)；

hudelay(1)；

seLDCLK(O)；

FpgaBu艉r> > = 1；

if(!ReaⅡ一ns1、ATUS)

{ nEf(”＼n、卜C0 gure Error：nsTATus is 0 1、n )；

ren】m O；}

Set— DCLK(1)；

}

C0untNum + + ：

}

SeI— Datao(O)；

S eI— DCLK(O)；

if(!Reau—nsTATuS)

{p ntf(”、n＼r—Configure Ermr：nsrATus is O!、n、r )；

retum O；}}

else if(Read—nC0NF—Done)

{p ntf(”＼n＼卜-Co gure success! 、n )；}

fnr(i=O；i(5O；i++)／ 初始化 ／

{Set—DcLK(1)；

hudeIay(1)；

Set— DCLK(O)；

hude1．dy(1)；} 、

if(!Read—nC0NF—D0ne)

{printf(”、r＼n—configure En r：nCO F—Done is 0 1”)；

retum 0：}

retum l：

{

3 可重构配置应用

    结合上述可重构配置分析，我们利用了FPGA可重构特性，实现模块化机器人控制器的设计．模块化机器人结构复杂，控制电机数量多，而且针对不同构形控制策略也有差别，如四自由度串联式机器手构形和全向移动小车构形(图4所示)从控制策略到控制电机数量都有很大的不同，这就要求控制器可以根据不同构形动态的改变控制策略，也即控制器的可重构．为此，在模块化机器人可重构控制模块结构设计中，提出基于ARM和FPGA的动态可重构的模块化机器人控制系统方案，充分利用嵌入式ARM核微处理器高性能、低功耗、资源丰富等方面的性能和FPGA内部逻辑可重构的特性，由主处理器根据机器人当前构形选择不同的控制策略并对FPGA内部逻辑进行动态重配，以适应不同构形及应用的需要．结构设计框图如图5所示。

 

    ARM模块选用s3c241Ox运行 C／OS—II实时操作系统，负责运行控制软件，完成模块化机器人运动规划，实时监控系统运行状态，实现人机交互功能及对FPGA内部逻辑实时重构．FPGA内部运行软核处理器，负责与模块化机器人运动控制相关的任务，如舵机控制、直流电机控制、系统IO控制、传感器数据采集等任务．

    对FPGA配置采用上述基于ARM的PS配置方法，平台充分利用了FPcA内部逻辑可重构的特性，可组成多种不同构形，不同构形具有不同的物理结构和控制方式，以满足不同任务需求．其重构方法采用：

(1)根据具体构形规划系统硬件资源种类，如构形需要的直流电机数量、舵机数量、系统I／，O数量以及各种传感器的数目．

(2)根据硬件资源种类修改FPcA内部逻辑，实现硬件层次的“重构”．

(3)根据FPGA逻辑的变化，进行软件的开发，实现软件层次的“重构”．

(4)将FPGA配置文件下载到ARM的存储器中，系统上电后，ARM结合需求通过读取相应存储区的配

置文件对FPGA进行配置，实现控制系统的动态重构．

经过实验验证，利用ARM的实时处理功能，对FPGA内部逻辑进行动态重配，所设计的控制平台可以满足可重构配置的性能要求．

4 结语

文中给出了基于ARM的FPGA的Ps加载配置方案，该方法电路结构简单、易于实现，充分利用ARM处理器功能强、速度快、应用广的特点，在系统中可预先包含多个不同功能的配置文件，根据现场的需要进行相应的配置，实现在线更新FPGA功能，既节省了开发成本，又满足了一些特殊的系统设计要求，也充分显示出FPGA现场升级、灵活运用的设计理念，方案的提出，对嵌人式数字系统设计具有相当的借鉴意义．