应用cpu在线配置fpgaWord格式.docx
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虽然这样做可能会增加成本，但获得的真正"
的功能是非常宝贵的。
2．CPU的Boot应不依赖于FPGA--这在单板设计时需要特别考虑的。
由于CPU对FPGA进行配置所需的资源很少，这一点比较容易做到。
设计摘要
本设计严格按照FPGA的PS配置流程进行，并在配置过程中始终监测工作状态，在完善的软件配合下，可纠正如上电次序导致配置不正常等错误。
因此，采用此方法对FPGA进行配置，性能将优于ConfigurationEPROM方式。
本设计是利用板上现有CPU子系统中空闲的ROM空间存放FPGA的配置数据，并由CPU模拟专用EPROM对FPGA进行配置，以降低硬件成本并实现FPGA的在线升级。
本设计已在MPC860和EP1K30环境下完成验证，适用于有5个多余I/O的CPU对AlteraFPGA的配置
二.硬件设计
1.配置基本原理
RAM-BasedFPGA由于SRAM工艺的特点，掉电后数据会消失。
因此，每次系统上电后，均需对FPGA进行配置。
对于Altera的FPGA，配置方法可分为：
专用的EPROM（ConfigurationEPROM）、PS（Passiveserial无源串行）、PPS（Passiveparallelsynchronous无源同步并行）、PPA（Passiveparallelasynchronous无源异步并行）、JTAG（不是所有器件都支持）。
本设计采用PS方式对FPGA进行配置，是基于如下几个方面的考虑：
1．PS方式连线最简单
2．与ConfigurationEPROM方式可以兼容（MSEL0、1设置不变）
3．与并行配置相比，误操作的几率小，可靠性高
只需利用CPU的5个I/O线，就可按图2所指示的时序对FPGA进行PS方式的配置。
2.配置电路的连接
CPU仅需要利用5个I/O脚与FPGA相连，就实现了PS方式的硬件连接，具体信号见下表（信号方向从CPU侧看）：
信号名
I/O
说明
Data0
O
configurationdata
DCLK
configurationclock
nCONFIG
devicereset（alowtohightransitionstartstheconfigurationwithinthedevice）
Conf_done
I
Statusbit（getscheckedafterconfiguration,willbehighifconfigurationcomplete）
nSTATUS
Statusbitindicatinganerrorduringconfigurationiflow
图3PS配置单片FPGA的硬件连接
图4PS配置多片FPGA的硬件连接
3.配置操作过程
CPU按下列步骤操作I/O口线，即可完成对FPGA的配置：
1．nCONFIG="
0"
、DCLK="
，保持2μS以上。
2．检测nSTATUS，如果为"
，表明FPGA已响应配置要求，可开始进行配置。
否则报错。
正常情况下，nCONFIG="
后1μS内nSTATUS将为"
。
3．nCONFIG="
1"
，并等待5μS。
4．Data0上放置数据（LSBfirst），DCLK="
，延时。
5．DCLK="
，并检测nSTATUS，若为"
，则报错并重新开始。
6．准备下一位数据，并重复执行步骤4、5，直到所有数据送出为止。
7．此时Conf_done应变成"
，表明FPGA的配置已完成。
如果所有数据送出后，Conf_done不为"
，必须重新配置（从步骤1开始）。
8．配置完成后，再送出10个周期的DCLK，以使FPGA完成初始化。
注意事项：
1．DCLK时钟频率的上限对不同器件是不一样的，具体限制见下表：
型号
最高频率
ACEX1K、FLEX10KE、APEX20K
33MHz
FLEX10K
16MHz
APEXII、APEX20KE、APEX20KC
57MHz
Mercury
50MHz
2．步骤7中FPGA完成初始化所需要的10个周期的DCLK是针对ACEX1K和FLEX10KE的。
如果是APEX20K，则需要40个周期。
3．在配置过程中，如果检测到nSTATUS为"
，表明FPGA配置有错误，则应回到步骤1重新开始。
图5操作流程框图
4.实现在线升级
采用本模块的最大优点是可以实现单板FPGA的在线升级。
要实现在线升级，单板设计必须考虑以下几个问题：
1．CPU的启动必须不依赖于FPGA，即CPU子系统应在FPGA被配置前可独立运行并访问所需资源。
CPU对FPGA进行配置所需的资源很少，一般来说，仅RAM和BootROM的访问而已。
2．FPGA配置前（或配置过程中）必须保证控制的设备处于非工作态或不影响其他设备工作的稳定态。
3．为了实现FPGA的在线升级，存放FPGA配置数据的存储器器必须是CPU可重写的，且此存储器应是非易失性的，以保证单板断电后，FPGA数据不需从后台重新获得。
具体过程
结合图6的实例，对FPGA在线升级作一具体描述。
图6FPGA在线升级
1．使用编译和连接工具，将FPGA的第一个版本与MPC860的工作程序连接在一起，分别占用地址为0x70000-0x7FFFF和0x00000-0x6FFFF的存储空间。
2．单板启动时，MPC860自动将0x70000-0x7FFFF的数据下载到FPGA中，完成FPGA配置。
3．当FPGA需升级时，将新的RBF配置文件放在后台计算机中。
4．MPC860把BOOTROM的0x70000-0x7FFFF空间当作普通数据存储区，通过后台将新的RBF配置文件放在0x70000-0x7FFFF中。
5．MPC860调用BOOTROM中的FPGA配置子程序，对FPGA从新下载数据，完成FPGA升级。
以MPC860和AlteraEP1K30为例，电原理图如下：
图7电原理图
编程文件格式的转换
MAX+plusII或QuartusII生成的SOF或POF文件不能直接用于CPU配置FPGA中，需要进行数据转换才能得到软件可用的配置数据。
在MaxplusII中的具体步骤如下：
1．进入数据转换对话框
图1进入数据转换对话框
2.选择需要转换的SOF文件，对于配置多个FPGA的场合，应选择所有的SOF文件并排好次序。
输出文件的格式我们选则二进制的rbf（Sequential）。
（也可以选择其他格式，如HEX等，在CPU软件编写上会与本文例子略有区别，关于不同文件格式的区别，在altera的AN116号文档上有详细解释）
图2选择相应的输出数据格式
在QuartusII软件的file菜单下，同样可以找到类似菜单进行格式转化。
CPU程序设计
以MPC860为例，我们可以将转换完成的RBF文件作为二进制文件，直接写到MPC860系统的某一ROM/Flash区域。
由于这段数据的起始地址和长度都是已知的，相应的软件编写是很方便的。
本设计的CPU源程序
voidInitPORT（void）
{//初始化PB口相应位：
//PB24-输出，PB25-输入，PB26-输出，PB27-输入，PB28-输出
IMMR->
pip_pbpar=0x00000000;
pip_pbdir=0xFFFFF5AF;
pip_pbodr=0x00000000;
pip_pbdat=0xffffff57;
}
UBYTEFpga_DownLoad（void）
{//FPGA配置
UBYTE*Bootaddr;
UWORDCountNum=0x0;
UBYTEFpgaBuffer,i;
//获得Boot区首地址
Bootaddr=（UBYTE*）（IMMR->
memc_or0&
IMMR->
memc_br0&
0xFFFF8000）;
Set_nCONFIG（0）;
//nCONFIG="
，使FPGA进入配置状态
Set_DCLK（0）;
DELAY5us（）;
if（Read_nSTATUS（）==1）
{//检测nSTATUS，如果为"
否则报错
Err_LED
（1）;
return0;
Set_nCONFIG
（1）;
//开始输出配置数据：
while（CountNum<
=0x0e74e）
{
FpgaBuffer=*（Bootaddr+0x70000+CountNum）;
for（i=0;
i<
8;
i++）
{//DCLK="
时，在Data0上放置数据（LSBfirst）
Set_Data0（FpgaBuffer&
0x01）;
Set_DCLK
（1）;
//DCLK->
"
，使FPGA读入数据
FpgaBuffer>
>
=1;
//准备下一位数据
if（Read_nSTATUS（）==0）
，表明FPGA配置出错
CountNum++;
//FPGA初始化：
//ACEX1K和FLEX10KE需要10个周期，APEX20K需要40个周期
for（i=0;
10;
DELAY100us（）;
Set_Data0（0）;
if（Read_nCONF_Done（）==0）
{//检测nCONF_Done，如果为"
，表明FPGA配置未成功
return1;
//成功返回
//Data0输出
voidSet_Data0（UBYTEsetting）
{//PB24
if（setting）IMMR->
pip_pbdat|=0x00000080;
elseIMMR->
pio_pbdat&
=0xFFFFFF7F;
//读nSTATUS状态
UBYTERead_nSTATUS（void）
{//PB25
if（IMMR->
0x00000040）return1;
elsereturn0;
//设置nCONFIG电平
voidSet_nCONFIG（UBYTEsetting）
{//PB26
pip_pbdat|=0x00000020;
=0xFFFFFFDF;
//读nCONF_Done状态
UBYTERead_nCONF_Done（void）
{//PB27
0x00000010）return1;
//输出DCLK
voidSet_DCLK（UBYTEsetting）
{//PB28
pio_pbdat|=0x00000008;
=0xFFFFFFF7;
//结束
我们已在某单板上实现了该设计。
现以该单板为例，说明如何实现CPU对FPGA的配置。
在该单板上是使用MPC860作CPU，BootROM采用SST39VF040，一片FPGA型号EP1K30QC208-3。
我们在MCP860的PB口选5根线与EP1K30连接成PS配置方式，硬件连接参考第二章，Data0也由MPC860输出，信号定义见下表
MPC860引脚
信号名称
EP1K30引脚
PB24
DATA0
156
PB25
52
PB26
105
PB27
CONF_DONE
2
PB28
155
EP1K30所需要的配置数据为58kB（准确的长度参见生成的RBF文件），由于BootROM比较空，我们将配置数据安排在BootROM的0x70000~0x7FFFF区间内。
第一次的配置数据可利用编程器将RBF文件当作二进制文件写到BootROM的起始地址为0x70000的区域，也可以通过860仿真器把数据写到指定位置。
具体软件操作参见第二章。
FPGA在线更改配置
为检验FPGA在线升级的可能性，我们在CPU的BootROM中放置了不同逻辑的FPGA配置数据。
CPU正常运行时，测试软件随意更换FPGA的配置数据。
在每次配置完成后，FPGA均能实现相应的逻辑功能。
如果和系统软件配合，在线更改EPROM中的配置数据，FPGA的在线升级是完全可以实现的。
为了便于调试和实际生产，我们将FPGA的初始配置数据放置在BootROM中。
如某些单板BootROM的写功能必须禁止，此时FPGA配置数据可放在其它存储器中，如存放应用程序的FLASH中，升级FPGA配置数据可以和升级应用程序一并完成。
电缆下载
为了提高调试进度，通常会采用电缆下载的方式。
在单板上兼容这两种配置方式有多种办法，我们采用了比较简单又便于生产的"
0欧姆电阻连接方式"
电气连接的示意图如下：
图1兼容电缆下载
在最初调试FPGA时，R1~R5不焊，直接用电缆下载。
同时，MPC860的程序中跳过FPGA配置的代码。
等FPGA设计定型后（相当于准备使用EPC1时），焊上R1~R5，利用CPU配置FPGA。
当然，R1~R5也可改用跳线或拨动开关。
这两种连接方式在开发调试中比0欧姆电阻方便，但实际使用中可靠性不如0欧姆电阻高，如跳线会出现短路块脱落、拨动开关会出现接触不良等现象。
而且，0欧姆电阻连接方式最便于生产，价格也最低。
建议开发阶段的单板可以用跳线或拨动开关，转产时采用0欧姆电阻连接方式。
在使用下载电缆时需要注意电源的选择。
由于Altera以前的Byteblaster下载电缆是5V供电的，有不少设计都把下载电缆插座接到5V电源上，这种5V供电的下载电缆可能导致不能忍受5V信号的CPU损坏。
因此，使用本模块时，下载电缆应使用低电压版本的ByteblasterMV，下载插座的电源接3.3V。
使用、调试、维护说明
如果使用本模块出现配置出错，有如下可能：
错误原因
解决方法
配置数据有错
重新生成配置数据，并检查生成过程是否正确
CPU输出信号频率太高
控制DCLK频率，具体数据参见“操作过程”相关章节
CPU与FPGA连接有误
检查硬件连线
下载电缆影响
拔去下载电缆
CPU的I/O口故障
用示波器检查PB24~PB28信号波形
FPGA故障
更换FPGA
经验教训
本模块在设计过程中有如下几个要点，请使用者注意：
1.CPU的启动必须不依赖于FPGA，这在单板设计时需要特别考虑的。
即CPU子系统应在FPGA被配置前可独立运行并访问所需资源。
当然，其他挂在CPU总线上的设备必须处于非访问态，FPGA所控制的设备也应处于非工作态或不影响其他设备工作的稳定态。
2.为了实现FPGA的在线升级，存放FPGA配置数据的区域必须是CPU可重写的
3.利用CPU配置FPGA，在使用者的主观感觉上会觉得FPGA"
起来"
得比较慢。
这是因为FPGA的配置要等CPU启动完成后才进行。
因此，应充分考虑FPGA所控制的设备在FPGA被配置完成前处于非工作态或不影响其他设备工作的稳定态。
4.关于配置数据占用空间的问题。
对于Altera的FPGA来说，每个确定型号的器件，配置数据的长度是一定的（和设计逻辑无关）。
因此，一旦确定了FPGA的型号，配置数据占用EPROM的空间也可以在设计中确定。
5.在使用中请保留下载电缆插座，以加快调试进度。
6.下载成功后，软件应有指示，便于维护。
7.要从系统的角度考虑现场升级，保护好FPGA数据。
8.单板调试时电缆下载的问题。
为了兼容两种下载方式，需要电缆下载时，可在CPU程序中跳过配置程序。
9.如果单板有可能使用电缆下载，必须考虑CPU的I/O能否忍受下载电缆信号电平
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