FPGA+DSP結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的FPGA配置方法及其實(shí)現(xiàn)

0 引言

在信號(hào)處理領(lǐng)域中，基于FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)是系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，功能變得更加豐富，成本日趨低廉。而在某些小型化應(yīng)用的場(chǎng)合中，對(duì)系統(tǒng)體積的要求越來(lái)越高，因此如何在硬件層次上縮小系統(tǒng)體積，已經(jīng)是必須要考慮的重點(diǎn)。除了選用高集成度的芯片、布局更加緊湊的電路結(jié)構(gòu)之外，優(yōu)化系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方式則能在更高層次上減小系統(tǒng)體積。

對(duì)于FPGA+DSP的基本架構(gòu)，DSP電路模塊的主要構(gòu)成為DSP芯片和存儲(chǔ)其程序的FLASH芯片，已經(jīng)為最小結(jié)構(gòu)，無(wú)法精簡(jiǎn)。FPGA電路模塊常用的構(gòu)成方式為FPGA芯片和相應(yīng)的配置芯片。而FPGA有多種配置方式，不同的配置方式，所需芯片會(huì)有差異，因此采用芯片數(shù)量少的配置方式可以在一定程度上節(jié)省電路板的面積。

不同廠家、不同系列的FPGA芯片，配置方式都存在有差異。對(duì)于Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA來(lái)說(shuō)，主要有主動(dòng)串行、主動(dòng)并行、被動(dòng)串行、被動(dòng)并行和邊界掃描5種配置方式。其中，邊界掃描方式只能燒寫(xiě)斷電即丟失的．bit文件，不能在系統(tǒng)中單獨(dú)使用；主動(dòng)串行和主動(dòng)并行的配置方式需要額外的配置芯片，不利于精簡(jiǎn)系統(tǒng)；被動(dòng)并行和被動(dòng)串行的配置方式都是依靠FPGA外部連接的微處理器來(lái)進(jìn)行配置的，而FPGA+DSP結(jié)構(gòu)中的DSP正好可以充當(dāng)配置電路中的微處理器，這樣就可以省去配置芯片和JTAG電路等相關(guān)模塊，能在一定程度上縮小系統(tǒng)體積。本文選擇了被動(dòng)的并行配置方式，原因在于更高的配置速率，此種配置方法在工程實(shí)踐中有著重要意義。

1 配置方法

1．1 配置文件格式

配置FPGA即是要把開(kāi)發(fā)工具已經(jīng)綜合好的程序文件按一定的時(shí)序?qū)懭隖PGA芯片中。而Xilinx的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以根據(jù)用戶的選擇產(chǎn)生多種文件格式，以不同的后綴名區(qū)分。不同的文件格式包含了不同的信息，有不同的用途。最常用的格式有．mcs格式、．bit格式和．bin格式，其中，．mcs文件是給FPGA的配置芯片燒寫(xiě)程序時(shí)使用的，而．bit和．bin文件都是直接給FPGA燒寫(xiě)程序時(shí)使用的。所不同的是，．bin只包含了最原始的配置數(shù)據(jù)，而．bit文件除包含有最原始的配置數(shù)據(jù)外，還在開(kāi)頭添加有頭部冗余信息，里面包含了當(dāng)前ISE工程的名字、器件型號(hào)、編譯時(shí)間等。這部分信息是不應(yīng)該燒寫(xiě)到FPGA芯片中去的，因此，本文選擇使用．bin文件來(lái)對(duì)FPGA進(jìn)行配置。一般的，此配置文件數(shù)據(jù)都是以Xilinx指定的16進(jìn)制同步字符FF FF FF FF AA 99 55 66開(kāi)頭，并在重復(fù)4次16進(jìn)制同步字符20 00 00 00后結(jié)束。

由于被動(dòng)并行的配置方式省去了配置芯片，因此，F(xiàn)PGA程序需要和DSP程序共同存入FLASH芯片中。本文選擇使用AD公司的DSP，其燒寫(xiě)FLASH用的程序文件格式為．ldr，每行是由16進(jìn)制的0xXXXXXXXX數(shù)據(jù)組成。所以，應(yīng)該對(duì)FPGA所用的．bin文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。利用Matlab工具，可以實(shí)現(xiàn)這一功能。要注意的是，．bin文件其實(shí)是ASCII碼形式，要轉(zhuǎn)換成ASCII碼的二進(jìn)制碼才能使用。．bin文件是由若干個(gè)2位的16進(jìn)制數(shù)據(jù)構(gòu)成的，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)a(i)首先分別提取高低位，可通過(guò)Matlab的函數(shù)floor(a(i)／16)和mod(a(i)，16)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)。然后對(duì)提取后的數(shù)據(jù)d進(jìn)行格式碼轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的matlab程序如下：

if(d10)
d=d+48；
else
d=d+55；
end

1．2 配置管腳

與FPGA配置相關(guān)的管腳可以分為2類：專用管腳和可復(fù)用管腳。專用管腳的作用是固定的，而可復(fù)用管腳在配置階段作為配置管腳，配置結(jié)束后可以配置為通用的IO管腳，也可以繼續(xù)作為配置管腳。配置管腳主要有：異步復(fù)位PROG_B，初始化INIT_B，配置時(shí)鐘CCLK，數(shù)據(jù)輸入D0-D7，加載成功指示DONE，寫(xiě)信號(hào)RDWR_B，片選信號(hào)CS_B，模式選擇M0～M2，忙指示BUSY(并行加載且鐘速率大于50 MHz時(shí)才使用)等。需要注意的是，通常的微處理器數(shù)據(jù)格式是little endian格式，D0位為最低有效位，而Xilinx的FPGA采用了big endian格式，在接收程序數(shù)據(jù)時(shí)，D0位是最高有效位。而．bin文件仍采用littIe endian格式，其最高有效位是D7位，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位順序轉(zhuǎn)換。在本文中，為了簡(jiǎn)化操作，直接在硬件連接上進(jìn)行了數(shù)據(jù)位的順序轉(zhuǎn)換，即DSP的D7位和FPGA的D0位相連，DSP的D6位和FPGA的D1位相連，以此類推。

1．3 配置流程

FPGA的上電配置過(guò)程大致可以分為4個(gè)階段：上電、初始化、數(shù)據(jù)加載和啟動(dòng)。具體完成的操作如下：

(1)上電。內(nèi)核供電VCCint大于2．5 V，管腳供電電壓VCCO大于1．0V，上電即可完成。

(2)初始化。上電完成后，外部輸入低電平PROG_B信號(hào)，復(fù)位配置寄存器，同時(shí)，F(xiàn)PGA拉低INIT_B信號(hào)，來(lái)指示其正在進(jìn)行內(nèi)部配置寄存器的清除。當(dāng)PROG_B為高時(shí)，INIT_B仍要保持一段時(shí)間直至配置寄存器完全清除。PROG_B信號(hào)至少需要300ns，無(wú)最大值限制。本文中的PROG _B信號(hào)由DSP提供。

(3)數(shù)據(jù)加載。在INIT_B信號(hào)的上升沿，F(xiàn)PGA會(huì)采樣它的配置模式管腳M0～M2來(lái)選擇不同的配置方式，本文的被動(dòng)并行模式，需要M0～M2值為：011。然后在INIT_B信號(hào)為高時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行配置數(shù)據(jù)加載。在同步字符加載完成后，真正的配置邏輯數(shù)據(jù)開(kāi)始被加載。在數(shù)據(jù)加載完畢并且做了2次正確的CRC檢驗(yàn)之后，開(kāi)始進(jìn)入FPGA啟動(dòng)階段，否則，F(xiàn)PGA輸出INIT_B為低，并重新來(lái)進(jìn)行配置。

(4)啟動(dòng)。CRC校驗(yàn)正確，則FPGA拉高指示信號(hào)DONE，然后再需要4個(gè)CCLK來(lái)激活所有的IO管腳，使能并初始化內(nèi)部RAM、觸發(fā)器等，最終完成FPGA的啟動(dòng)過(guò)程。

在生成FPGA的．bin文件時(shí)，可以設(shè)置加載FPGA時(shí)使用的時(shí)鐘CCLK頻率，但是，這個(gè)頻率只對(duì)主動(dòng)加載方式有效，被動(dòng)方式時(shí)，CCLK時(shí)鐘由外部供給，與此參數(shù)無(wú)關(guān)。

2 硬件實(shí)現(xiàn)電路

2．1 硬件結(jié)構(gòu)

本文選用AD公司生產(chǎn)的ADSP-TS101這款芯片作為配置FPGA的主處理器。ADSP-TS101是一款極高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，同時(shí)支持浮點(diǎn)和定點(diǎn)處理，最高工作頻率為300 MHz，地址范圍4 GB，最大支持16MB的PROM。從地址的0x08000000～0xFFFFFFFF為外部存儲(chǔ)器空間的一部分，可以訪問(wèn)獨(dú)立的外圍設(shè)備，完全可以滿足片外程序的尋址。為了完成配置FPGA的時(shí)序，需要DSP有靈活可控的引腳信號(hào)。而ADSP-TS101的4個(gè)標(biāo)志引腳信號(hào)FLAG3～FLAG0允許在ADSP-TS101和其他的設(shè)備之間傳遞位信號(hào)。任何一個(gè)標(biāo)志引腳既可以作為輸入也可以作為輸出，且ADSP -TS101的許多指令都可以以標(biāo)志引腳的輸入作為執(zhí)行條件，可以在多處理器和其他接口之間進(jìn)行高效的通信和同步。因此，可以將此4個(gè)管腳和FPGA進(jìn)行連接，模擬完成FPGA的配置時(shí)序。

存儲(chǔ)芯片選用Spansion公司的高性能FLASH芯片S29JL064H，最小訪問(wèn)周期為55 ns，其可以配置成8M×8 b的存儲(chǔ)方式。而Virtex-Ⅱ系列FPGA的配置數(shù)據(jù)包括配置數(shù)據(jù)幀和配置寄存器數(shù)據(jù)，配置寄存器數(shù)據(jù)都為40×32 b，即1 280 b，配置數(shù)據(jù)幀會(huì)因器件不同而有變化，對(duì)于XC2V1000器件來(lái)說(shuō)，配置數(shù)據(jù)幀為4 082 592 b，總的配置數(shù)據(jù)不到4 Mb。所以，此存儲(chǔ)芯片完全可以滿足FPGA和DSP程序的存儲(chǔ)。對(duì)于FLASH存儲(chǔ)空間的劃分，采用一分為二的方法，DSP和FPGA程序各占一半空間。即，從地址0x00000～0x3FFFFF這4 MB空間用來(lái)存儲(chǔ)DSP程序，剩余的4MB空間0x400000～0x7FFFFF存儲(chǔ)FPGA程序。