以Virtex5開發(fā)板和SPI FLASH為基礎的FPGA多重配置分析

引言

現(xiàn)代硬件程序設計規(guī)模越來越大，功能越來越復雜，當多個應用程序同時在一個硬件平臺上實現(xiàn)時，各個程序的資源使用和數(shù)據(jù)通路可能會沖突，這增加了控制電路設計的復雜程度，給開發(fā)人員增加了工作量和開發(fā)難度。通過多重配置，可以將多個應用程序根據(jù)需要分時加載到FPGA 中，不僅精簡了電路設計，而且使系統(tǒng)更加靈活。FPGA 多重配置的特點可以讓特定條件下的用戶選擇片上資源不多的FPGA 去實現(xiàn)需要很多資源FPGA 才能實現(xiàn)的功能，這大大降低了開發(fā)費用，同時提高了FPGA的利用率。

Xilinx 公司Virtex5 系列的FPGA 具有多重配置的特性，允許用戶在不掉電重啟的情況下，根據(jù)不同時刻的需求，可以從FLASH 中貯存的多個比特文件選擇加載其中的一個，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的變換。

1 總體設計

當FPGA完成上電自動加載初始化的比特流后，可以通過觸發(fā)FPGA內(nèi)部的多重啟動事件使得FPGA從外部配置存儲器（SPI FLASH）指定的地址自動下載一個新的比特流來重新配置。FPGA 的多重配置可以通過多種方式來實現(xiàn)。本文采用的是基于ICAP核的狀態(tài)機編碼方式。通過調(diào)用Xilinx 自帶的ICAP 核，編寫狀態(tài)機按照一定的指令流程對ICAP核進行不斷的配置，可以控制FPGA 重新配置。這種方式可以在源代碼中加很多注釋，讓后來的開發(fā)者很清楚地明白ICAP核指令流順序，以及多重配置地址計算方法，是一種簡單實用的實現(xiàn)方法。

1.1 硬件電路

多重配置的硬件主要包括FPGA 板卡和貯存配置文件的FLASH 芯片。FPGA 選用XILINX 公司Virtex-5系列中的ML507,該產(chǎn)品針對FPGA多重配置增加了專用的內(nèi)部加載邏輯。FLASH 芯片選用XILINX 公司的SPI FLASH 芯片M25P32,該芯片存貯空間為32 Mb,存貯文件的數(shù)量與文件大小以及所使用的FPGA 芯片有關。實現(xiàn)多重配置首先要將FPGA 和外部配置存儲器連接為從SPI FLASH 加載配置文件的模式。配置電路硬件連接框圖如圖1所示。

在FPGA配置模式中，M2,M1,M0為0,0,1,這種配置模式對應邊界掃描加上拉，F(xiàn)PGA在這種模式下所有的I/O只在配置期間有效。在配置完成后，不用的I/O將被浮空[5].M2,M1,M0 三個選擇開關對應于ML507 開發(fā)板上的SW3開關中的4,5,6位，在FPGA上電之前將上述開關撥為0,0,1狀態(tài)。

1.2 軟件設計

從軟件設計的角度可以將FPGA 多重配置主要分為兩個部分。第一部分是用戶自己開發(fā)的程序，這一部分包括用戶要在FPGA上邊實現(xiàn)的功能，同時也包括為重載模塊提供時鐘信號，以及觸發(fā)信號，本文觸發(fā)信號是通過用戶程序編寫串口通信協(xié)議棧來接收PC端傳輸?shù)臄?shù)字作為觸發(fā)信號。第二部分是FPGA 重載配置模塊。FPGA多重配置首先要調(diào)用ICAP核，當滿足觸發(fā)條件后，采用狀態(tài)機編碼的方式對ICAP 核進行賦值配置。FPGA多重配置的軟件結構圖如圖2所示。

FPGA多重配置的軟件結構圖如圖2所示。

重載模塊首先要調(diào)用ICAP核。ICAP原語在Xilinx的編譯軟件ISE 中調(diào)用，調(diào)用路徑為Edit → LanguageTemplates,VHDL/Verilog → Device Primitive Instantia-tion→Virtex5FPGA → Config/BSCAN Components→ In-ternal Config Access Por（t ICAP_VIRTEX5）。

ICAP_VIRTEX5調(diào)用接口如下：

ICAP 核支持X8,X16,X32 三種數(shù)據(jù)帶寬模式。在整個FPGA 重配置的過程中并沒有用到ICAP核的輸出，因此在重載模塊的狀態(tài)機控制程序中不關注BUSY,O 信號的值，可以不對它們賦值。用戶程序在使用接口時只需對CE,CLK,I,WRITE4個信號不斷賦值來發(fā)送命令。

在調(diào)用了ICAP核接口之后，通過Verilog編碼的方式實現(xiàn)狀態(tài)機。通過狀態(tài)機發(fā)送IPROG指令給ICAP 核，ICAP 核在接收到這些指令后會根據(jù)指定的地址自動加載配置文件。

IPROG 指令的作用是對FPGA 芯片進行復位操作，該復位操作對FPGA 內(nèi)部的應用程序進行復位，復位過程中除專用配置管腳和JTAG 管腳，其他輸入/輸出管腳均為高阻態(tài)。完成復位操作后，將默認的加載地址用熱啟動地址寄存器（Warm Boot Start Address,WB-STAR）中的新地址替換。

在發(fā)送IPROG 指令之前，需要對ICAP核進行預配置。重載控制模塊在收到觸發(fā)信號后，第一個時鐘周期將ICAP 核的WRITE 信號和CE 信號置高，第二個周期將WRITE 信號置底，CE 信號置高，第三個周期將WRITE信號置底，CE信號也置底。接著在下面的8 個時鐘周期里，將指令隊列中的控制命令逐個發(fā)出。狀態(tài)機指令流程如圖3所示。

在狀態(tài)機發(fā)送IPROG 指令的過程中，為了保證ICAP 核接收到正確的指令，每一個發(fā)送出去的命令和數(shù)據(jù)必須遵循SelectMAP數(shù)據(jù)順序。SelectMAP數(shù)據(jù)順序是將每個指令都按字節(jié)劃分，劃分后每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都按比特位翻轉。如果為“X32”模式，則劃分為4個字節(jié)，每個字節(jié)進行位翻轉。圖4 以“X16”為例說明Se-lectMAP數(shù)據(jù)順序。

當狀態(tài)機從用戶程序接收到一個觸發(fā)條件后，會發(fā)送一系列如圖3所示的IPROG 命令。Verilog編碼實現(xiàn)狀態(tài)機的過程中，必須按照圖3給出的指令順序發(fā)送這些IPROG命令，否則無法正確的與ICAP核通信。同時這些指令都具有自己特殊的定義而且必須服從Select-MAP 數(shù)據(jù)順序，否則無法通信。IPROG 指令的具體定義及說明如表1所示。

在上述配置指令過程中，第五步Warm Boot StartAddress Register（WBSTAR）指定了滿足觸發(fā)條件的比特流在SPI FLASH中的起始地址，WBSTAR被賦值的地址必須和即將配置的bit流在SPI FLASH中的物理位置相同，否則FPGA就無法從外部讀取bit流。WBSTAR被賦值的數(shù)值都是提前根據(jù)程序的要求計算好的。計算WBSTAR值的時候需要了解WBSTAR寄存器每一位的具體含義，如圖5所示。

WBSTAR寄存器共31位，高三位是保留位，RS[1:0]

兩位指定了可以多重配置的bit流的個數(shù)。RS_TS_B是RS[1:0]的使能信號：0 表示Disabled,1 表示Enabled.

START_ADDR表示要回讀的比特流在外部配置存儲器的起始地址。狀態(tài)機在對WBSTAR 進行賦值時，要根據(jù)自己選擇的bit流個數(shù)以及對應各個bit流在外部配置存儲器貯存的地址自行計算WBSTAR地址。這里以4個bit流為例說明WBSTAR地址的計算方法，如表2所示。狀態(tài)機使用的地址是服從SelectMAP數(shù)據(jù)順序的地址。FPGA 專用配置邏輯在收到IPROG 指令后，開始執(zhí)行內(nèi)部復位操作（JATG 管角和重載控制部分不進行復位操作），擦除板卡上原有的程序，從FLASH 芯片中WBSTAR 所指向的起始地址開始讀取新配置文件完成FPGA的重配置。

2 多重配置的實現(xiàn)

Xilinx系列的FPGA 需要將后綴名為mcs的內(nèi)存鏡像文件固化到外部配置存儲器中，F(xiàn)PGA上電后才能自動加載配置文件。一般的mcs文件只包含一個bit流文件，多重啟動的固化文件（。mcs）包含多bit流文件。在將多個bit流整合到mcs 文件的過程中，需要指定每個bit流的起始地址，這樣FPGA專用配置邏輯才能根據(jù)地址找到對應的bit流。首先將用戶開發(fā)的應用程序和重載控制模塊添加到一個工程當中，利用ISE編譯軟件生成位流文件（。bit）。由于Virtex5 系列器件本身的特性，一般情況下生產(chǎn)的bit 流文件大約為3 300 KB,而SPIFLASH 的容量為32 Mb 即4 MB,這個容量無法滿足在一個SPI FLASH 上貯存多個bit流文件，需要對生成的bit流進行壓縮。在用ISE 軟件生成bit流文件時，當完成了Synthesize-XST以及Implement Design后，執(zhí)行到最后一步Generate Programming File時，在Process Proper-ties 中General Options 選項中勾選Enable BitstreamCompression.通過這個壓縮設置可以對bit 流進行壓縮，壓縮后的bit流大約在500~600 KB 之間，可以滿足在一個容量為32 Mb的SPI FLASH上貯存多個bit流文件。其次將需要進行重配置的多個位流文件拷貝至一個工程目錄下，有兩種方法可以將多個bit流整合為一個mcs文件。第一種方法是通過ISE 編譯軟件的命令行窗口，使用命令行命令將多個位流文件合并為一個FLASH 存貯芯片M25P32 中燒寫的內(nèi)存鏡像文件（。mcs）。第二種方法是用Impact 軟件創(chuàng)建MultibootSPI FLASH,選擇相應的FPGA 型號和FLASH 的容量以及要包含的bit 流的個數(shù)（版本的個數(shù)）。本文使用第一種方法來將多個bit 流文件形成一個內(nèi)存鏡像文件（。mcs）。使用promgen 命令的具體格式為：

promgen -spi -pmcs -oMulitBoot.mcs-s4096 -u0rev0.bit -u100000rev1.bit -u200000rev0.bit -u300000rev0.bit命令中各參數(shù)的說明如下所述。-spi:表示生成的mcs文件要固化到SPI FLASH中；-p mcs:生成文件的格式是mcs格式；-o ML507.mcs:要生成的文件名，可以根據(jù)需要修改；-s 4096:定義了外部存儲器的容量，4096 表示32 Mb;- u 0rev0.bit:表示名字為rev0 的比特流文件在外部存儲器的起始地址為0;-u 100000 rev1.bit:表示名字為rev1的比特流文件在外部貯存的起始地址為100000.在生成mcs 文件后，通過IM-PACT 軟件將mcs 文件固化到SPI FLASH 中。

FPGA 上電自動從外部SPI FLASH 加載一個初始化的bit流，當需要執(zhí)行新的程序時，會根據(jù)觸發(fā)條件以及啟動地址重新配置。在實驗中，通過PC機串口終端發(fā)送指令當做觸發(fā)條件實現(xiàn)多重配置。在實際應用中，還可以根據(jù)具體硬件實現(xiàn)，采用其他通信方式傳送控制指令來進行觸發(fā)。

3 結語

本文通過硬件電路和軟件設計兩個方面對FPGA的多重配置方法進行了詳細介紹，本文所介紹的多重配置方法靈活方便、易于操作、電路簡單，在工程中有很高的應用價值，同時關于bit流壓縮的方法也值得參考。