嵌入式系统中从串配置FPGA的实现

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本文主要论述在ARM嵌入式系统中如何实现FPGA从串配置的方法，将系统程序及配置数据存储在系统Flash中，利用ARM的通用I/O口产生配置时序，省去专用的配置PROM。
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　　文中ARM微处理器采用samsung公司的ARM7TDMI系列中的S3C4480X，FPGA采用xilinx
' N4 O3 l+ [; f1 `5 R3 Y# V% R公司spartan3E系列中的XC3S100E，详细讨论FPGA的从串配置的时序，同时论述S3C4480X从串配置spartan3E系列FPGA的软、硬件实现方法。实践证明，该方法在成本、体积、灵活性上均具有优势，将此方法应用在嵌入式系统中具有很强的实用价值。

引言
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　　基于ARM微处理器技术的应用已经得到了广泛、深入的应用，包括工业控制领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等领域。
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2 q8 |! B1 b* ]/ J+ e& ?& W0 @　　FPGA通过把设计生成的数据文件配置到芯片内部的SRAM完成其逻辑功能，具有可重复编程性，可灵活实现各种逻辑功能，FPGA的这种特性使其在现代电子系统设计中得到了广泛应用。

　　基于SRAM工艺的FPGA是易失性的，系统掉电后SRAM内的数据将全部丢失，需要外接ROM保存其配置数据，系统每次上电时必须重新配置数据才能正常工作。通常设计时采用两种方案保存SRAM内的数据，一是使用专用的PROM，Xilinx公司的XCFxx系列PROM提供FPGA的配置时序，上电时自动加载PROM中的配置数据到FPGA的SRAM中；另一种是在含有微控制器的系统中，如嵌入式系统，采用其他非易失性存储器来存储配置数据，如EEPROM、FLASH等，微控制器模拟FPGA的配置时序将ROM中的数据置入FPGA中。与前面一种方案相比，在对成本和体积敏感的系统中，该方案更适用。

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1.从串配置原理

　　Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA采用90nm工艺的2.5V低电压FPGA芯片，高性能、低功耗、可无限次编程。XC3S100E总门数达10万门，可采用从串、主串、从并、主并、JTAG等方式进行配置，与从串配置相关的引脚功能及配置如下：

　　①M[2：O]：配置模式选择位。M2，M1，M0均接上拉电阻，即M[2：O]=111时为从串模式。
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　　②CCLK：配置时钟位，由微处理器提供，上升沿有效。

2 {1 b; v0 w$ v　　③DIN：串行数据输入位。
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　　④DOUT：串行数据输出位，用于菊花链式配置。

　　⑤)PROG_B：低电平异步复位FPGA内部逻辑位。内部配置Memory完全复位后，该引脚指示高电平，此时才能配置FPGA。
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7 ~) L4 V6 n# m# K; q　　⑥ INIT_B：由低电平到高电平跳变时，采样配置模式选择位M[2：0]，确定配置方式；配置过程中若出现配置错误，INIT_B将呈现低电平。

, {4 n4 S0 M: R+ N　　⑦DONE：复位时为低电平，配置成功，则为高电平。
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2．微处理器从串配置FPGA的时序
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- `2 L; c6 @8 Y2 oFPGA的配置过程：
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　　①系统上电后，将PROG_B置为低电平，复位FPGA内部逻辑重新配置FPGA，延时100 μs充分复位内部逻辑后，将PROG_B置为高电平。
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% c' ^, o# J5 Z9 d% r3 U% a9 Z) e　　②INIT_B保持低电平，将PROG_B置高电平大于300ns后，FPGA将INILB置为高电平，在INIT_B由低向高跳变的瞬间，采样配置模式选择位M[2：0]，采用从串配置模式。
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$ p: J4 q. R( r　　③FPGA采样配置模式后，微处理器开始配置FPGA时钟CCLK和数据，在CCLK的每个上升沿，每bit数据被传入到DIN，数据字节先发低位，再发高位，配置过程中若发生错误，则INIT_B呈现低电平。
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- z7 [. v* o* n0 H7 \　　④所有配置数据传送完成，CRC校验无误，则DONE呈现高电平，否则为低电平。
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0 }; ?% M$ L0 m3 W! g% q　　⑤DONE为高后，FPGA释放全局三态(GTS)，激活IO管脚，释放全部置位复位(GSR)和全局写使能(GWE)有效，开始执行配置区里的逻辑。
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3．配置文件产生的方法
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　　用Xilinx公司提供的开发工具ISE8.1将工程经过综合、映射、布局、布线后产生编程文件，编程文件有.bit、.bin、.mcs、.tek、.hex等格式，其中.bit格式用作JTAG下载，其他几种格式用作专用PROM编程。系统产生配置文件时首先按照产生专用PROM编程文件的方法产生.bin文件，然后将该bin文件转换成ASC Il码文件存储，并且各个字节之间用逗号分隔，最后把该配置数据存放在系统程序的一个头文件的数组Config_data_array[]中，作为系统程序源代码的一部分，和其它程序一起编译。

5 u7 v9 x( ]! y8 f1 U+ @! `硬件设计
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! u, y. [$ ^5 H) ~& R: S　　ARM微处理器S3C44BOX片内集成ARM7TDMI核，同时集成了丰富的外围功能模块，内部增加的8K高速缓；中器大大提高了性能。S3C44BOX可访问256MB的地址空间，最高运行频率达66MHz，包含4M Flash程序存储器，XC3S100E从串配置程序和配置文件都固化于其中保存，该FIash支持低电压写入(1.65～3.3V)。SDRAM具有8M的运行空间，系统在直接运行Flastl时速度非常慢，通常将Flash中的代码搬到SDRAM中运行。

　　S3C4480X与XC3S100E接口主要是PROG_B、lNIT_B、DONE、CCLK、DIN五根信号线，硬件接口电路如图2所示，其中VCC33表示3.3V，VCC25表示2.5V。

１．在S3C44BOX中实现配置时序

　　Xilinx公司的每个特定型号的FPGA器件，其配置文件大小是相同的，跟FPGA内部逻辑设计的复杂度无关，Spartan3E系列的10万门FPGA×C3S100E，其配置文件固定为581344bits，若CCLK的时钟周期设置为2 μ s，配置时间约为1.2s。
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9 Y2 z/ g1 @1 D& h$ x* X　　软件配置以确保ARM完全按照配置信号的时序工作，本文采用S3C44BOX的通用IO口GPF0、GPFl、GPF2、GPF3胶GPF4模拟FPGA的DIN、CCLK、DONE、INIT_B及PROG_B的时序。

/ J) s+ U6 b1 s8 z　　S3C44BOX微处理中大多数引脚都是多功能引脚，通过端口配置寄存器选择不同的功能。以端口F为例，控制寄存器rP-CONF用作设定引脚功能、输入、输出或特殊功能；数据寄存器rPDATF[0：8]对应GPF0-GPF8引脚上的数据;读写寄存器rP-DATF的相应位，对应于相应引脚的读或写的控制。
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) R/ E. l2 O* E/ Z( A　　微处理器将CCLK设为上升沿时，可先向GPF1写0，再写1得到，延时程序由for循环实现，程序如下所示：
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　　微处理器读取某个引脚状态，如等待INIT_B(GPF3)为高电平时，可通过如下程序实现：

　　CCLK在每个上升沿将1 bit数据输入到DIN,首先将GPF1置低电平，1bit数据在GPF0准备好，然后将GPF1置高即可传输，重复循环着将Config_data_array[]中的每个字节按先低位再高位的次序写入FPGA中。
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( |7 y# u* i1 b; r6 C: h9 ~实验结果验证

　　验证环境：编程专用PROM的led.bin文件。用一个简单的C程序将bin文件转成ASC II码文件，把该ASC II码文件复制到配置数据数组corlfig_data_array[]中，然后把配置程序、配置数据、和系统程序在ADT环境下一起编译，将生成的bin文件通过JTAG口烧写到FLASH中。重新上电后，FPGA配置正常，实验运行结果与预设一致。
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' y, e! W( J- B2 N　　基于ARM的FPGA从串配置方案结构简单，接线容易，软件编程也不复杂，虽然该配置控制电路以Xilinx公司Spartan13E系列的FPGA为例，但稍加修改即可适用于其它系列的FPGA器件，具有一定的通用性。
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8 A5 S/ U/ [5 y- z　　另外，FPGA具有可重复配置的灵活性，在嵌入式系统中可以通过串口、网口远程烧写Flash重构系统功能，这种在线重构技术，为设备的智能化在线维护、功能重组和在线升级等提供了可能，具有很强的灵活性。

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实践证明，该方法在成本、体积、灵活性上均具有优势，将此方法应用在嵌入式系统中具有很强的实用价值。