基于ARM的FPGA加载配置实现方案

　　引言
   　　基于SRAM工艺FPGA在每次上电后需要进行配置，通常情况下FPGA的配置文件由片外专用的EPROM来加载。这种传统配置方式是在FPGA的功能相对稳定的情况下采用的。在系统设计要求配置速度高、容量大、以及远程升级时，这种方法就显得很不实际也不方便。本文介绍了通过ＡＲＭ对可编程器件进行配置的的设计和实现。
   　　1 配置原理与方式
   　　1.1配置原理
   　　在FPGA正常工作时，配置数据存储在SRAM单元中，这个SRAM单元也被称为配置存储器（Configuration RAM）。由于SRAM是易失性的存储器，因此FPGA在上电之后，外部电路需要将配置数据重新载入到片内的配置RAM中。在芯片配置完成后，内部的寄存器以及I/O管脚必须进行初始化。等初始化完成以后，芯片才会按照用户设计的功能正常工作。　
   　　1.2配置方式
          根据FPGA在配置电路中的角色，其配置数据可以使用3种方式载入到目标器件中:
   ·FPGA主动（Active）方式；
   ·FPGA 被动（Passive）方式；
   ·JT     
   AG 方式；
   
   　　在FPGA 主动方式下，由目标FPGA来主动输出控制和同步信号（包括配置时钟）给专用的一种串行配置芯片，在配置芯片收到命令后，就把配置数据发到FPGA，完成配置过程。在被动方式下，由系统中的其他设备发起并控制配置过程，FPGA只输出一些状态信号来配合配置过程。被动方式包括被动串行PS（Passive Serial ）、快速被动并行FPP（Fast Passive Parallel）、被动并行同步PPS（Passive Parallel Serial）、被动并行异步PPA（Passive Parallel Asynchronous）、以及被动串行异步PSA（Passive Serial Asynchronous）。JTAG是IEEE 1149.1边界扫描测试的标准接口。从JTAG接口进行配置可以使用Altera的下载电缆，通过Quartus工具下载，也可以采用微处理器来模拟JTAG时序进行配置。
   　　2硬件电路设计
   　　AT91ARM9200对EP1C6配置的硬件电路示意图如图１所示。
   　　在配置FPGA时，首先需要将年nCONFIG拉低（至少40us）, 然后拉高。当nCONFIG被拉高后，FPGA的nSTATUS也将变高，表示这时已经可以开始配置，外部电路就可以用DCLK的时钟上升沿一位一位地将配置数据写进FPGA中。当最后一个比特数据写入以后，CONFIG_DONE管脚被FPGA释放，被外部的上拉电阻拉高，FPGA随即进入初始化状态。
   
   　　图 1 ARM配置FPGA电路原理图
   　　3软件设计
          本文在设计时使用Linux系统，软件编写和调试是在ADS 下。主要程序如下：
   static AT91PS_PIO pioc;
   inline void pioc_out_0 (int mask)
   {
   　　pioc->PIO_CODR = mask;
   }
   inline void pioc_out_1 (int mask)
   {
   　　pioc->PIO_SODR = mask;
   }
   inline int pioc_in (int mask)
   {
   　　return pioc->PIO_PDSR & mask;
   }
   inline void xmit_byte (char c)
   {
   　　int i;
   　　for (i = 0; i < 8; i++)
   　　{
   　　if (c & 1)
   　　　　　　　　　　　pioc_out_1 (DATA0);
   　　　　　　else
   　　　　　　　　　　　pioc_out_0 (DATA0);
   　　　　　　　　　　　pioc_out_0 (DCLK);
   　　　　　　　　　　　pioc_out_1 (DCLK);
   　　　　　　c >>= 1;
   　　　}
   }
   
   void pioc_setup ()
   {
   　　　pioc->PIO_PER　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
   　　　pioc->PIO_OER　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK;
   　　　pioc->PIO_ODR　　 =nSTATUS | CONF_DONE;
   　　　pioc->PIO_IFER　　 =nSTATUS | CONF_DONE;
   　　　pioc->PIO_CODR　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK;
   
   　　　
             pioc->PIO_IDR　　　=DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
   　　　pioc->PIO_MDDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK;
   　　　pioc->PIO_PPUDR　=DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
   　　　pioc->PIO_OWDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
   }
   int pioc_map ()
   {
   　　　　int fd;
   　　　　off_t addr = 0xFFFFF800;　　 // PIO controller C
   　　　　static void *base;
   　　　　if ((fd = open ("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) == -1)
   　　　　　{
   　　　　　　　printf ("Cannot open /dev/mem.\n");
   　　　　　　　     
   return 0;
   
   　　　　　}
   　　　　printf ("/dev/mem opened.\n");
   　　　　base = mmap (0, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);
   　　　　if (base == (void *) -1)
   　　　　{
   　　　　printf ("Cannot mmap.\n");
   　　　　　　return 0;
   　　　　}
   　　　　printf ("Memory mapped at address %p.\n", base);
   　　　　pioc = base + (addr & MAP_MASK);
   　　　　return 1;
   }
   int main (int argc, char **argv)
   {
   　　　　FILE *file;
   　　　　char data[16];
   　　　　int nbytes, i;?
   　　　　if (argc != 2)
   　　　{
   　　　　　　printf ("%s \n", argv[0]);
   　　　　　　return -1;
   　　　}
   　　　　file = fopen (argv[1], "r");
   　　　　if (!file)
   　　　{
   　　　　　　　printf ("File %s not found.\n", argv[1]);
   　　　　　　　return -1;
   　　　}
   　　　if (!pioc_map ())
   　　　　　　　　return -1;
   　　　pioc_setup ();
   　　　pioc_out_0 (nCONFIG);
   　　　for (i = 0; i < 10000 && pioc_in (nSTATUS); i++) { }
   　　　if (i == 10000)
   　　　{
   　　　　　　　printf ("nSTATUS = 1 before attempting configuration.\n");
   　　　　　　　return -1;
   　　　　}
   　　　　pioc_out_1 (nCONFIG);
   　　　　for (i = 0; i < 10000 && !pioc_in (nSTATUS); i++) { }
   　　　　if (i == 10000)
   　　　　{
   　　　　printf ("Timeout waiting for nSTATUS = 1.\n");
   　　　　　　　return -1;
   　　　　}
   　　　　while ((nbytes = fread (data, sizeof (char), sizeof (data), file)) > 0)
   　　　　{
   　　　　　　　if (pioc_in (CONF_DONE))
   　　　　　　　{
   　　　　　　　　　　　　　printf ("CONF_DONE = 1 while transmitting data.\n");
   　　　　　　　　　　　　　return -1;
   　　　　　　　　}
   　　　　　　　　if (!pioc_in (nSTATUS))
   　　　　　　　　{
   　　　　　　　　　　　printf ("nSTATUS = 0 while transmitting data.\n");
   　　　　　　　　　　　return -1 ;
   
   　　　　　　　　}
   　　　　　　　　for (i = 0; i < nbytes; i++)
   　　　　　　　　　　　　　xmit_byte (data);
   　　　}
   　　　for (i = 0; i < 10000 && !pioc_in (CONF_DONE); i++)
   　　　{
   　　　　　　　if (!pioc_in (nSTATUS))
   　　　　　　　{
   　　　　　　　　　　printf ("nSTATUS = 0 while transmitting data.\n");
   　　　　　　　　　　return -1;
   　　　　　　　}
   　　　　　　　pioc_out_0 (DATA0);
   　　　　　　　pioc_out_0 (DCLK);
   　　　　　　　pioc_out_1 (DCLK);
   　　　}
   　　　if (i == 10000)
   　　　{
   　　　　　　　　　　printf ("Timeout waiting for CONF_DONE = 1.\n");
   　　　　　　　　　　return -1;     
   　　　}
   　　　return 0;
   }
   　　4 结论
   　　本文给出了基于ARM的FPGA加载配置软件实现。这种方法充分利用了ARM的速度快、灵活的特点，节省了开发成本，又满足了一些特殊的系统设计要求。本方法也适用于其它的微处理器。