本文主要論述在ARM嵌入式系統(tǒng)中如何實現(xiàn)FPGA從串配置的方法，將系統(tǒng)程序及配置數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)Flash中，利用ARM的通用I/O口產生配置時序，省去專用的配置PROM。

文中ARM微處理器采用samsung公司的ARM7TDMI系列中的S3C4480X，F(xiàn)PGA采用xilinx
公司spartan3E系列中的XC3S100E，詳細討論FPGA的從串配置的時序，同時論述S3C4480X從串配置spartan3E系列FPGA的軟、硬件實現(xiàn)方法。實踐證明，該方法在成本、體積、靈活性上均具有優(yōu)勢，將此方法應用在嵌入式系統(tǒng)中具有很強的實用價值。

引言

基于ARM微處理器技術的應用已經得到了廣泛、深入的應用，包括工業(yè)控制領域、網(wǎng)絡應用、消費類電子產品、成像和安全產品等領域。

FPGA通過把設計生成的數(shù)據(jù)文件配置到芯片內部的SRAM完成其邏輯功能，具有可重復編程性，可靈活實現(xiàn)各種邏輯功能，F(xiàn)PGA的這種特性使其在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計中得到了廣泛應用。

基于SRAM工藝的FPGA是易失性的，系統(tǒng)掉電后SRAM內的數(shù)據(jù)將全部丟失，需要外接ROM保存其配置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)每次上電時必須重新配置數(shù)據(jù)才能正常工作。通常設計時采用兩種方案保存SRAM內的數(shù)據(jù)，一是使用專用的PROM，Xilinx公司的XCFxx系列PROM提供FPGA的配置時序，上電時自動加載PROM中的配置數(shù)據(jù)到FPGA的SRAM中；另一種是在含有微控制器的系統(tǒng)中，如嵌入式系統(tǒng)，采用其他非易失性存儲器來存儲配置數(shù)據(jù)，如EEPROM、FLASH等，微控制器模擬FPGA的配置時序將ROM中的數(shù)據(jù)置入FPGA中。與前面一種方案相比，在對成本和體積敏感的系統(tǒng)中，該方案更適用。

從串配囂原理

1.從串配置原理

Xilinx公司的Spartan3E系列FPGA采用90nm工藝的2.5V低電壓FPGA芯片，高性能、低功耗、可無限次編程。XC3S100E總門數(shù)達10萬門，可采用從串、主串、從并、主并、JTAG等方式進行配置，與從串配置相關的引腳功能及配置如下：

①M[2：O]：配置模式選擇位。M2，M1，M0均接上拉電阻，即M[2：O]=111時為從串模式。

②CCLK：配置時鐘位，由微處理器提供，上升沿有效。

③DIN：串行數(shù)據(jù)輸入位。

④DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出位，用于菊花鏈式配置。

⑤)PROG_B：低電平異步復位FPGA內部邏輯位。內部配置Memory完全復位后，該引腳指示高電平，此時才能配置FPGA。

⑥ INIT_B：由低電平到高電平跳變時，采樣配置模式選擇位M[2：0]，確定配置方式；配置過程中若出現(xiàn)配置錯誤，INIT_B將呈現(xiàn)低電平。

⑦DONE：復位時為低電平，配置成功，則為高電平。

2．微處理器從串配置FPGA的時序

FPGA的配置過程：

①系統(tǒng)上電后，將PROG_B置為低電平，復位FPGA內部邏輯重新配置FPGA，延時100 μs充分復位內部邏輯后，將PROG_B置為高電平。

②INIT_B保持低電平，將PROG_B置高電平大于300ns后，F(xiàn)PGA將INILB置為高電平，在INIT_B由低向高跳變的瞬間，采樣配置模式選擇位M[2：0]，采用從串配置模式。

③FPGA采樣配置模式后，微處理器開始配置FPGA時鐘CCLK和數(shù)據(jù)，在CCLK的每個上升沿，每bit數(shù)據(jù)被傳入到DIN，數(shù)據(jù)字節(jié)先發(fā)低位，再發(fā)高位，配置過程中若發(fā)生錯誤，則INIT_B呈現(xiàn)低電平。

④所有配置數(shù)據(jù)傳送完成，CRC校驗無誤，則DONE呈現(xiàn)高電平，否則為低電平。

⑤DONE為高后，F(xiàn)PGA釋放全局三態(tài)(GTS)，激活IO管腳，釋放全部置位復位(GSR)和全局寫使能(GWE)有效，開始執(zhí)行配置區(qū)里的邏輯。

3．配置文件產生的方法

用Xilinx公司提供的開發(fā)工具ISE8.1將工程經過綜合、映射、布局、布線后產生編程文件，編程文件有.bit、.bin、.mcs、.tek、.hex等格式，其中.bit格式用作JTAG下載，其他幾種格式用作專用PROM編程。系統(tǒng)產生配置文件時首先按照產生專用PROM編程文件的方法產生.bin文件，然后將該bin文件轉換成ASC Il碼文件存儲，并且各個字節(jié)之間用逗號分隔，最后把該配置數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)程序的一個頭文件的數(shù)組Config_data_array[]中，作為系統(tǒng)程序源代碼的一部分，和其它程序一起編譯。

硬件設計

ARM微處理器S3C44BOX片內集成ARM7TDMI核，同時集成了豐富的外圍功能模塊，內部增加的8K高速緩；中器大大提高了性能。S3C44BOX可訪問256MB的地址空間，最高運行頻率達66MHz，包含4M Flash程序存儲器，XC3S100E從串配置程序和配置文件都固化于其中保存，該FIash支持低電壓寫入(1.65～3.3V)。SDRAM具有8M的運行空間，系統(tǒng)在直接運行Flastl時速度非常慢，通常將Flash中的代碼搬到SDRAM中運行。

S3C4480X與XC3S100E接口主要是PROG_B、lNIT_B、DONE、CCLK、DIN五根信號線，硬件接口電路如圖2所示，其中VCC33表示3.3V，VCC25表示2.5V。

１．在S3C44BOX中實現(xiàn)配置時序

Xilinx公司的每個特定型號的FPGA器件，其配置文件大小是相同的，跟FPGA內部邏輯設計的復雜度無關，Spartan3E系列的10萬門FPGA×C3S100E，其配置文件固定為581344bits，若CCLK的時鐘周期設置為2 μ s，配置時間約為1.2s。

軟件配置以確保ARM完全按照配置信號的時序工作，本文采用S3C44BOX的通用IO口GPF0、GPFl、GPF2、GPF3膠GPF4模擬FPGA的DIN、CCLK、DONE、INIT_B及PROG_B的時序。

S3C44BOX微處理中大多數(shù)引腳都是多功能引腳，通過端口配置寄存器選擇不同的功能。以端口F為例，控制寄存器rP-CONF用作設定引腳功能、輸入、輸出或特殊功能；數(shù)據(jù)寄存器rPDATF[0：8]對應GPF0-GPF8引腳上的數(shù)據(jù);讀寫寄存器rP-DATF的相應位，對應于相應引腳的讀或寫的控制。

微處理器將CCLK設為上升沿時，可先向GPF1寫0，再寫1得到，延時程序由for循環(huán)實現(xiàn)，程序如下所示：

微處理器讀取某個引腳狀態(tài)，如等待INIT_B(GPF3)為高電平時，可通過如下程序實現(xiàn)：

CCLK在每個上升沿將1 bit數(shù)據(jù)輸入到DIN,首先將GPF1置低電平，1bit數(shù)據(jù)在GPF0準備好，然后將GPF1置高即可傳輸，重復循環(huán)著將Config_data_array[]中的每個字節(jié)按先低位再高位的次序寫入FPGA中。

實驗結果驗證

驗證環(huán)境：編程專用PROM的led.bin文件。用一個簡單的C程序將bin文件轉成ASC II碼文件，把該ASC II碼文件復制到配置數(shù)據(jù)數(shù)組corlfig_data_array[]中，然后把配置程序、配置數(shù)據(jù)、和系統(tǒng)程序在ADT環(huán)境下一起編譯，將生成的bin文件通過JTAG口燒寫到FLASH中。重新上電后，F(xiàn)PGA配置正常，實驗運行結果與預設一致。
結束語

基于ARM的FPGA從串配置方案結構簡單，接線容易，軟件編程也不復雜，雖然該配置控制電路以Xilinx公司Spartan13E系列的FPGA為例，但稍加修改即可適用于其它系列的FPGA器件，具有一定的通用性。

另外，F(xiàn)PGA具有可重復配置的靈活性，在嵌入式系統(tǒng)中可以通過串口、網(wǎng)口遠程燒寫Flash重構系統(tǒng)功能，這種在線重構技術，為設備的智能化在線維護、功能重組和在線升級等提供了可能，具有很強的靈活性。


來源:零八我的愛0次