CvP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析 PCIE協(xié)議實現(xiàn)FPGA 配置案例

1. CvP 簡介

CvP（Configuration via Protocol）是一種通過協(xié)議實現(xiàn) FPGA 配置的方案，Arria? V，Cyclone? V，Stratix? V，Arria? 10，Cyclone? 10 GX，Stratix? 10，Agilex?都支持這個功能，但支持的模式有所差異。目前所采用的協(xié)議是 PCI Express? （PCIe）。

CvP 配置文件被拆分成兩個，一個是 periphery image，一個是 core image。

?Periphery image （*.periph.jic） 包含 GPIOs，I/Oregisters，GCLK、QCLK、RCLK 時鐘網(wǎng)絡(luò)，PLLs，收發(fā)器，存儲器 PHY 接口，以及硬核 IP，例如?PCIe 硬核。這部分不能被更改和更新。Periphery image 存儲在?FPGA 配置芯片內(nèi)，上電加載。

?Core image （*.core.rbf） 包含被 configuration RAM （CRAM）配置的邏輯部分，包括 LABs， DSP， 和 embedded memory。FPGA?設(shè)備上電后主機端再經(jīng)由所用的協(xié)議（此處為 PCIe）將 core image 下載并配置到 FPGA 內(nèi)部。

2. CvP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CvP 系統(tǒng)由三部分組成：FPGA，PCIehost，F(xiàn)PGA 的配置器件。如圖 1。

圖 1 CvP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）配置器件與 FPGA 通過傳統(tǒng)配置接口互聯(lián)。對于 V 系列和 Arria10 器件來說，可支持任何配置方式，例如 AS，PS 或 FPP。針對 Stratix10，可采用 Active Serial x4 （fast mode） 或 Avalon Streaming （Avalon-ST） x8。對于 Agilex 系列器件，只可采用 Active Serial x4 （fast mode）。

（2）對于 V 系列、Arria10、Stratix10、Cyclone10GX，只有器件底部左側(cè)的 PCIe?硬核才支持 CvP 功能，其他的 PCIe 硬核可作常規(guī)功能使用。而對于 Agilex 系列，左側(cè)的 PCIe 硬核都支持 CvP 功能。在硬件設(shè)計階段需要確認(rèn)使用哪個 PCIe 做 CvP，一旦確定，則只有這個 PCIe 硬核作為 Endpoint 可以使能 CvP 功能，其他 PCIe 硬核不能再作此用途，但可作為常規(guī) PCIe 接口用。

（3）其他 PCIe 硬核能作為常規(guī) PCIe 接口使用。

3. CvP 價值

? 由于只需要存儲 periphery logic，F(xiàn)PGA 的配置器件可以選擇小容量器件，降低成本。

? Coreimage 存在主機端，提高核心邏輯的安全性。

? 對于支持 CvP Update Mode 的器件來說，可支持動態(tài)的核心邏輯更新，而不需要系統(tǒng)斷電重啟。

? 主機側(cè)提供了簡單的軟件配置模型。

4. CvP 模式

CvP 有兩種模式：CvP Initialization mode 和 CvP Update mode。

4.1 CvP Initialization Mode 初始化模式

FPGA 在上電時加載配置芯片上的 peripheral image，在 100ms 的枚舉時間內(nèi)成功配置其 PCIe 接口，使主機能正確枚舉該 PCIe 設(shè)備。主機啟動后再通過 PCIe 鏈路配置 FPGA 核心邏輯。

CvP Initialization Mode 優(yōu)勢：

? 保證 FPGA PCIe 設(shè)備滿足枚舉時間。

? FPGA 的配置器件可以選擇小容量器件，降低成本。

? 保證主機側(cè)核心邏輯的安全性。

4.2 CvP Update Mode 更新模式

當(dāng) FPGA 進入用戶模式，對除 CvP PCIe 核之外的其他邏輯通過 CvP 進行重新配置，此時 CvP PCIe 既可以做常規(guī) PCIe 使用，又可以實現(xiàn) FPGA 核心邏輯的更新。為使用該模式，需要參考 Partition 的流程對工程進行分模塊 Partition 和 Logic Lock 設(shè)計，以重復(fù)利用設(shè)備外設(shè)，保證 peripheral image 不變。

當(dāng)有以下幾種需要時，可以考慮使用該模式：

? 需要對核心邏輯進行更新。

? 根據(jù)功能發(fā)布情況對設(shè)備進行更新。

4.3 不同器件系列支持的模式

前面說到 ArriaV，CycloneV，StratixV，Arria10，Cyclone10GX，Stratix10，Agilex 都支持 CvP，但不同系列器件支持的模式有所差異，具體如表 1，其中 Agilex 只支持 InitializationMode，如表 2。

表 1 不同器件系列支持的模式

表 2 Agilex 系列支持的模式

5. CvP Initialization mode 實現(xiàn)流程和注意事項

使用 Stratix V 開發(fā)板實現(xiàn) CvP Initialization mode 的流程及注意事項。

? 板卡：Stratix-VGX Dev Kit （PCIe board），PCIe Gen1x8。

? 主機：64 位 Windows7 操作系統(tǒng)。

? Quartus 版本：QuartusII 64-Bit Version 14.1.0 Build 186

5.1 實現(xiàn)流程

1. 構(gòu)建含 PCIe IP 的工程，此處采用 S5PCIe 的 Example design。

2. 打開工程內(nèi) PCIe IP 的 GUI，勾選“Enable configuration via the PCIe link”。

3. 在 Assignments =》 Device =》 Device andPin Options =》 Configuration 中選擇 FPGA 的配置模式為 Active Serial x4（并設(shè)置 MSEL）。

在 Assignments =》 Device =》 Device and Pin Options =》 CvPSettings 選擇 configuration via protocol 為 Core initialization。

4. 根據(jù)開發(fā)板分配管腳并編譯工程，生成 cvp_example.sof。

5. 將生成的 cvp_example.sof 進行拆分，打開 File =》 Convert Programming Files，設(shè)置 Programmingfile type 為 JTAG Indirect Configuration File （.jic）。添加 cvp_example.sof，勾選 Create Memory Map File 和 Create CvP files。點擊 Generate 之后，cvp_example.sof 就被拆分成兩部分，cvp_example.periph.jic 和 cvp_example.core.rbf。

6. 關(guān)閉主機，將 PCIE 板卡連上 JTAG，插在主機 PCIe 插槽里，主機再上電啟動。此時 PCIE 板卡由 PCIE 插槽供電。打開 Quartus II Programmer，點擊 Auto Detect 掃描 JTAG 鏈，選擇 FPGA 點擊 ChangeFile，選擇之前生成的 cvp_example.periph.jic 文件，并燒寫進 EPCQ256。

7. 重新啟動主機，枚舉 PCIe 設(shè)備。此時已經(jīng)加載了 cvp_example.periph.jic 的 PCIE 板卡將作為 PCIE 設(shè)備被系統(tǒng)識別。根據(jù) PCIe IP 的設(shè)置，在主機側(cè)查看 DeviceID 為 E001，Vendor ID 為 1172 的 PCIe 設(shè)備。

此時可以下載一個免費軟件“RW – Read & Write Utility”。找到 Device ID 為 E001，Vendor ID 為 1172 的 PCIe 設(shè)備。

8. 在主機上使用 quartus_cvp 對識別到的 PCIe 板卡（Device ID 為 E001，VendorID 為 1172）加載核心邏輯部分 cvp_example.core.rbf。打開 Windows CMD，更改路徑到 cvp_example.core.rbf 所在的位置。

輸入如下命令并回車：

? quartus_cvp--vid=1172 --did=e001 cvp_example.core.rbf

如果成功執(zhí)行該命令，會出現(xiàn)如下界面，表示核心邏輯已被成功加載進 FPGA，此時 FPGA 進入 usermode，可以正確工作。

5.2 注意事項

運行 quartus_cvp 時需要安裝 Jungo WinDriver。
編輯：hfy