基于外部处理器的FPGA加载应用程序的方法研究

张德生,安建平 发表于 2020-08-13 17:16:46 收藏 已收藏
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基于外部处理器的FPGA加载应用程序的方法研究

张德生,安建平 发表于 2020-08-13 17:16:46
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1、引言

FPGA在系统上电时,需要从外部载入所要运行的程序,此过程被称为程序加载。多数情况下,FPGA从外部专用的 EPROM读入程序。这种方式速度慢,而且只能加载固定的程序。显然,当系统需要容量大而且 FPGA要加载的程序可以根据需要有选择的加载时不能采用这种方法。本文实现了一种基于外部处理器的加载方法,速度快,而且可以根据设置给FPGA加载相应的程序。

对于 Xilinx公司的 FPGA芯片,有五种加载方式:JTAG模式,串行从模式,串行主模式,并行从模式和并行主模式。JTAG模式常用于调试时,将主机综合好的程序加载到FPGA,优先级高于其他几种模式。其他加载模式取决于 FPGA上加载模式管脚(M0,M1,M2)的设置。

用外部处理器给 FPGA加载程序时,可以采用串行从模式、并行从模式,甚至于 JTAG模式。本文选择并行从模式,原因在于更高的配置速率。 2、 FPGA程序数据的产生

FGPA的程序加载即是要把综合好的程序文件按一定的时序写入FPGA。而 Xilinx的开发环境可以根据用户的选择产生多种文件格式,以不同的后缀名区分。不同的文件格式包含了不同的信息,有不同的用途。

本文选择了.bin格式的文件。此文件是只包含有程序数据的二进制文件。产生此文件,要在bitgen 参数里增加-g Binary:yes 选项。

此外,需要说明的是,通常的微处理器 D0位是最低有效位,而 Xilinx的 FPGA在接收程序数据时,D0位是最高有效位。因此,在按字节读取.bin格式的文件之后,需要有一个转换的过程。如从文件读到一个字节,0x7D,即二进制的 0111 1101,需转换为:1011 1110。

加载过程开始时,就要从.bin文件中顺序按字节读出数据,然后在 CCLK的上升沿写入 FPGA。在.bin文件中的数据都被写入 FPGA后,CCLK需要多出四个时钟周期,以使得 FPGA完成启动过程。 3、硬件设计

在FPGA上,与配置有关的管脚分为两类:专用管脚,包括PROG_B,HSWAP_EN,TDI, TMS,,TCK,TDO,CCLK,DONE,和M0-M2。还有一类是可复用管脚,这类管脚在配置阶段作为配置管脚,配置结束后可以配置为通用普通的IO管脚,也可以继续作为配置管脚。在并行从模式下,涉及到的配置管脚和功能如下:

CS_B:片选信号,低有效; RDWR_B:写信号,低有效; BUSY:FPGA忙指示,高有效,一般只有在并行加载时钟速率大于50M时才有可能用到;D0-D7:数据线; INIT_B:芯片被复位后,此管脚为输出信号,输出低电平指示FPGA正在自行复位内部

寄存器。复位结束后,此管脚浮空,处于输入状态。因此需要上拉电阻,指示复位结束。内部寄存器复位结束后,此管脚若被拉低,则会推迟FPGA的程序加载过程。在程序加载过程中,此管脚又变回输入状态,对外输出低电平指示加载的程序数据存在CRC校验错误。

PROG_B:异步复位信号,下降沿有效,此信号为低电平时复位FPGA,复位后,FPGA芯片处于内部寄存器自行复位过程,INIT_B被FPGA芯片拉低,此过程结束后,FPGA不再驱动INIT_B管脚,INIT_B管脚处于浮空状态,此时,INIT_B有上拉电阻时,INIT_B呈现高电平,依次可以指示FPGA的内部寄存器自行复位结束。程序加载状态。

DONE:加载成功指示。 CCLK:程序加载时,数据在此信号的上升沿被写入FPGA。在本设计中,ARM芯片采用的是 SUMSUN公司的S3C2410,与 FPGA配置管脚相连的是

此芯片的通用 IO管脚 D组。硬件连接如图所示。在 ARM的程序中,ARM管脚在程序加载的各阶段的输入输出设置如下:首先,设置 GPD(与 FPGA的 INIT_B相连)、GPD(与 FPGA的 BUSY相连)为输入管脚,以监视 FPGA内部寄存器自行复位结束和忙闲状态。其次,设置GPD(与 FPGA的 PROG_B相连)为输出状态,并使其输出低脉冲,使 FPGA复位。然后依次设置 GPD(与 FPGA的 CS_B相连)、GPD(与 FPGA的 RDWR_B相连)、GPD(与 FPGA的 CCLK相连)为输出管脚,并使其输出低电平,使 FPGA处于被选可接受数据状态;接着设置D[0..7]为输出状态。至此,ARM中的程序开始轮询GPD的状态,检测到此信号为高时,有两种选择,其一是因为需要而推迟 FPGA的程序加载,可以通过设置 GPD为输出,并使其输出为低电平直至程序加载开始。其二是开始给 FPGA加载程序,FPGA在 CCLK的上升沿接收数据,在给 FPGA加载程序的过程中,程序需要监视GPD管脚的状态,一旦为低,FPGA指示程序数据加载 CRC校验出错。此时需要复位FPGA,重新加载。

采用的硬件连接如下图:

基于外部处理器的FPGA加载应用程序的方法研究

4、嵌入式 Linux的驱动实现

本文以模块形式实现了运行于S3C2410上的linux驱动程序,源文件如下(有关寄存器

的设置参考S3C2410的数据手册,以下源代码未包含头文件):

#define GPIO_va_base 0x0F6000000

//基于S3C2410 上的Linux内核IO控制寄存器首地址映射后的虚拟地址

#define ARM_GPDCON PIO_va_base+0x30);

#define ARM_GPDUP PIO_va_base+0x38);

#define ARM_port_wr(addr,value) *(volatile unsigned int*)(addr)=value)

//定义输出

#define FPGA_CS 8

#define FPGA_RW 9

#define FPGA_PROG 12

#define FPGA_CCLK 14

//定义操作

#define ARM_GPDDAT (*(volatile u32 *)(GPIO_va_base+0x34))

#define set_register_bit(x) ARM_GPDDAT=(1《《x)|ARM_GPDDAT

#define clear_register_bit(x) ARM_GPDDAT=(~(1《《x))&ARM_GPDDAT

//定义输入

#define FPGA_INIT ((ARM_GPDDAT》》10)&1)

#define FPGA_BUSY ((ARM_GPDDAT》》11)&1)

#define FPGA_DONE ((ARM_GPDDAT》》13)&1)

#define FPGA 211

//定义主设备号,和mknod /dev/fpga c 211 0匹配

typedef char fpga_device_t;

static fpga_device_t fpga_devices[257];

char buf[1000000];

int fpga_open(struct inode *, struct file *);

ssize_t fpga_write(struct file *,const char *,size_t ,loff_t *);

int fpga_release(struct inode*, struct file *);

//初始化ARM的D组通用IO管脚

void init_fpga(void){

ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x30,0x55555555);

//FPGA_BUSY FPGA_DONE FPGA_INIT be set input

ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x34,0xFFFF);

ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x30,0x51055555);

ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x38,0);// put up

set_register_bit(FPGA_CCLK);//set GCLK

}

static struct file_operations fpga_ctl_fops= {

open: fpga_open,

write: fpga_write,

release: fpga_release,};

int init_module(void) {

printk(“Hello,word,Now preparing FPGA.。..。.\n”);

printk(“register FPGA.。..。.\n”);

register_chrdev(FPGA, “fpga”, &fpga_ctl_fops);

printk(“Done!\n”);

printk(“Hello,word,success!\n”);

return 0;

}

int fpga_open(struct inode *inode, struct file *filp){

int minor;

minor = MINOR(inode-》i_rdev);

init_fpga();

fpga_devices[minor]++;

printk(“FPGA is ready.\n”);

return 0;

}

ssize_t fpga_write(struct file *flip,const char *buffer,size_t count,loff_t

*ppos){

int i;

if(copy_from_user(buf,buffer,count)){

printk(“error \n”);

return -EFAULT;

}

printk(“%d numbers have been received!\n”,count);

printk(“The number is:%d\n”,count);

for(i=0;i《count;i++){

ARM_GPDDAT=(ARM_GPDDAT&0x3F00)|buf[i];

set_register_bit(FPGA_CCLK);

}

printk(“data write finished\n”);

for(i=0;i《4;i++){

set_register_bit(FPGA_CCLK);

clear_register_bit(FPGA_CCLK);

}

return count;

}

int fpga_release(struct inode *inode, struct file *filp){

int minor;

minor = MINOR(inode-》i_rdev);

if (fpga_devices[minor])

fpga_devices[minor]--;

printk(“Goodbye cruel world\n”);

return 0;

}

void cleanup_module(void){

printk(“Goodbye cruel world\n”);

}

5、结束语

本文的创新点:基于ARM-Linux平台,实现了一种FPGA的程序加载模式,加载速度快,灵活高效。

责任编辑:gt

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