一種基于嵌入式系統(tǒng)和Internet的FPGA動態(tài)配置方案

在現(xiàn)今的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，以“嵌入式微控制器+fpga”為核心的體系結(jié)構(gòu)因其強大的處理能力和靈活的工作方式而被廣泛采用。嵌入式微控制器的優(yōu)勢在于將微處理器內(nèi)核與豐富多樣的外圍接口設(shè)備緊密結(jié)合，在提供強大的運算、控制功能的同時，降低了系統(tǒng)成本和功耗，因而適合作為數(shù)字系統(tǒng)的控制核心；fpga的優(yōu)勢在于超高速、豐富的邏輯資源以及用戶可靈活配置的邏輯功能，適用于邏輯接口功能多種多樣、靈活可變的場合。將二者結(jié)合形成優(yōu)勢互補，如有需要，再配以適當?shù)膶Ｓ眯酒ɡ缫粢曨l編解碼器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器等）。這種體系結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)復雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。

如系統(tǒng)中包含可編程器件，就必須考慮其功能配置的問題。然而，傳統(tǒng)的fpga配置方案（例如調(diào)試階段的專用下載電費方式、成品階段的專用存儲器方式）在成本、效率、靈活性等方面都存在著明顯的不足。針對這樣的實際問題，基于嵌入式微控制器與fpga廣泛共存于復雜數(shù)字系統(tǒng)的背景，考慮到大量數(shù)字系統(tǒng)要求接入internet的現(xiàn)狀，借鑒軟件無線電“一機多能”的思想，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)和internet的fpga動態(tài)配置方案。該方案的提出，旨在基于系統(tǒng)現(xiàn)有的、通用的軟硬件資源，盡可能地提高fpga配置的效率和靈活性。實踐證明，該方案可行、實用，達到了設(shè)計目的。

為輪述方便，將基于sram工藝的fpga的配置流程用圖1所示的模型表示。從圖1中可以看到，fpga的配置過程實質(zhì)上是兩次數(shù)據(jù)的傳輸過程（分別由配置數(shù)據(jù)源到時序控制器和時序控制器到目標fpga）。因此，將這兩次關(guān)鍵的數(shù)據(jù)傳輸作為fpga配置的兩個基本問題，并在下文中針對不同的傳輸方式討論各自的優(yōu)缺點，從而尋求合理的解決方案。

傳統(tǒng)的配置方式包括應用于調(diào)試階段的專用下載電費方式和應用于成員階段的專用 非易失性存儲器方式。在這兩種方式中，上文所提到的兩次數(shù)據(jù)傳輸完全由fpga廠商所提供的軟硬件完成。這樣的解決方案確實方便了一般的fpga用戶，因為他們不必花費精力關(guān)心配置的細節(jié)，但同時也不得不面對不少的缺陷：首先，專用下載電費和專用非易失性存儲器的成本非常高，雖然用戶可以根據(jù)fpga廠商提供的原理圖自制下載電纜，但專用非易失性存儲器是肯定無法自制的，而且有些不支持isp（在系統(tǒng)可編程）的器件不定期必須配以合適的編程器，進一步增加了開發(fā)的成本；第二，常見的專用下載電費都是使用計算機并口產(chǎn)生串行的配置信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離非常有限；第三，專用非易失性存儲器的配置方式?jīng)Q定了目標fpga只能接收單一配置文件，即在系統(tǒng)運行過程中，fpga不可能根據(jù)不同情況動態(tài)調(diào)整邏輯功能，這樣的設(shè)計無法滿足某些應用中對于系統(tǒng)靈活性的要求。

首先，專用下載電纜和專用非易失性存儲器的成本非常高，雖然用戶可以根據(jù)fpga廠商提供的原理圖自制下載電費，但專用非易失性存儲器是肯定無法自制的，而且有些不支持isp（在系統(tǒng)可編程）的器件還必須配以合適的編程器，進一步增加了開發(fā)的成本；第二，常見的專用下載電纜都是使用計算機并口產(chǎn)生串行的配置信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離非常有限；第三，專用非易失性存儲器的配置方式?jīng)Q定了目標fpga只能接收單一配置文件，即在系統(tǒng)運行過程中，fpga不可能根據(jù)不同情況動態(tài)調(diào)整邏輯功能，這樣的設(shè)計無法滿足某些應用中對于系統(tǒng)靈活性的要求。

2 基于嵌入式微控制器和internet的解決方案

2．1 方案綜述

本設(shè)計的目標是基于系統(tǒng)中已有的軟硬件資源，盡可能提高fpga配置的效率和靈活性。考慮到相當多的復雜數(shù)字系統(tǒng)：（1）包含微控制器（具有多個通用i/o）及其程序存儲器； （2）具有接入internet的能力（例如系統(tǒng)硬件中包含以太網(wǎng)接口，軟件中移植了tcp/ip協(xié)議），提出一種新的fpga配置方案，如圖2所示。從圖2中可以看出，這種方案的實質(zhì)是將internet作為傳輸配置數(shù)據(jù)的媒體，并用嵌入式微控制器的程序存儲器存儲這些數(shù)據(jù)，從而完成第一節(jié)中提到的第一次數(shù)據(jù)傳輸；在嵌入式微控制器的通用i/o上實現(xiàn)fpga配置時序，從而完成第二次數(shù)據(jù)傳輸。

2．2 配置文件的傳輸協(xié)議tftp

在方案的驗證實例中，使用基于udp的tftp協(xié)議在以太網(wǎng)內(nèi)傳輸配置文件，協(xié)議棧如圖3所示。由于udp屬于不可靠的面向無連接的傳輸協(xié)議，因此在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜的廣域網(wǎng)上傳輸fpga配置數(shù)據(jù)并不適合采用tftp協(xié)議，而必須采用可靠的、基于tcp的應用層協(xié)議（例如ftp協(xié)議）。此處采用tftp，完全是由于適應ais的運行環(huán)境、簡化性能測試的考慮，而且在應用層實現(xiàn)了部分tcp的功能（例如偽連接、簡單的應答和重發(fā)、數(shù)據(jù)包排序等功能），可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

標準的tftp（trivial file transfer protocol）是一種基于udp的、簡單的文件傳輸協(xié)議。tftp的設(shè)計目標是簡單小巧且易于實現(xiàn)，因此遠不如采用多重并發(fā)tcp連接的ftp功能強大（例如tftp不支持目錄列表和用戶權(quán)限驗證，而且傳輸效率比較低）。

tftp的基本通信過程為：客戶端向服務器發(fā)出讀或?qū)懻埱螅蝗绻掌鹘邮兆x寫請求，正式的數(shù)據(jù)傳輸開始，每段數(shù)據(jù)長度固定為512字節(jié)；長度小于512字節(jié)的數(shù)據(jù)段標志傳輸結(jié)束。此外，協(xié)議中還規(guī)定了超時、重發(fā)等異常處理機制。

2．3 fpga配置文件及配置流程

用微控制器的通用i/o實現(xiàn)fpga配置必須準確掌握：（1）配置文件的格式；（2）配置信號的時序。

一般來說，fpga開發(fā)軟件可以生成多種不同類型的配置文件，用戶可以根據(jù)不同的應用環(huán)境選用這些配置文件。本設(shè)計采用.bin文件。值得注意的是，對于某一特定的芯片，無論設(shè)計簡單或是復雜，其配置的數(shù)據(jù)的長度是固定的，但配置文件大小卻因類型的不同而有所差異。

常見的fpga配置模式包括主動串行模式、被動串行模式、被動并行模式和邊界掃描模式等。為與常見的下載電費兼容并節(jié)約微控制器的i/o口線，本實現(xiàn)采用被動串行模式。圖5為配置子程序的流程圖。