ARM設(shè)計(jì)的FPGA可重構(gòu)配置方法的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

ARM設(shè)計(jì)的FPGA可重構(gòu)配置方法的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用摘要：文中詳述了FPGA被動(dòng)串行配置方式的時(shí)序，給出配置流程圖及實(shí)現(xiàn)的程序代碼，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性及應(yīng)用前景．通過(guò)介紹FPGA的各種配置方式，提出了一種基于ARM處理器的FPGA動(dòng)態(tài)配置方法，充分利用ARM處理器功能強(qiáng)、速度快、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，結(jié)合FPGA重配置特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FPGA的動(dòng)態(tài)配置．

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA的集成度迅速提高，已達(dá)到百萬(wàn)門(mén)量級(jí)，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA中的邏輯資源也日益豐富，使得基于FPGA的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能．基于FPGA的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)因其具有開(kāi)發(fā)周期短，設(shè)計(jì)成本低，軟硬件可編程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)，且已經(jīng)在通訊、工控等領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用．

目前FPGA從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上進(jìn)行分類(lèi)，可以分為基于查找表(LuT，k—uptable)技術(shù)，SRAM工藝的FPGA、基于nash技術(shù)的FPGA和基于反熔絲(Anti—fuse)技術(shù)的FPGA，而使用最多的還是基于SRAM工藝的FPGA，如Altem的Cycl0ne和Stix系列、xilin)【的Spanan和Virtex系列．基于SRAM的FPGA片內(nèi)帶有存儲(chǔ)配置位流的sRAM，上電時(shí)，將存儲(chǔ)在專(zhuān)用配置芯片中的配置信息加載到FPGA中，從而實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能，掉電時(shí)片內(nèi)SRAM中的配置數(shù)據(jù)遺失，需要下一次加電時(shí)重新加載配置．這種片內(nèi)易失存儲(chǔ)器存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，使得FPGA可以在線動(dòng)態(tài)的對(duì)其sRAM中的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)電路邏輯功能動(dòng)態(tài)改變．系統(tǒng)可重構(gòu)主要就是利用基于sRAM的FPGA這種動(dòng)態(tài)重配置特性才得以實(shí)現(xiàn)的，下面就以Altem公司CycloneII系列FPGA分析其配置方式及其可重構(gòu)應(yīng)用．1可重構(gòu)配置方法

根據(jù)FPGA在配置過(guò)程中的角色可把cycloneII系列FPGA的配置方式分為三種：FPGA主動(dòng)串行(As)方式、FPGA被動(dòng)串行(PS)方式和JATG方式．不同配置模式通過(guò)配置模式選擇管腳MsEL[1：0]進(jìn)行選擇，其中MsEL[1：0]=o0時(shí)選擇As模式，MsEL[1：O]=01時(shí)選擇PS模式，對(duì)于某些串行配置器件當(dāng)MsEL[1：0]=l0時(shí)為快速AS模式，配置速度比PS模式快一倍．CycloneII系列FPGA支持配置數(shù)據(jù)自解壓，將壓縮的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在配置器件或其它存儲(chǔ)器中，配置時(shí)傳送壓縮的位流數(shù)據(jù)到FPGA中，F(xiàn)PGA可實(shí)時(shí)的解壓縮并對(duì)內(nèi)部sRAM進(jìn)行編程，配置數(shù)據(jù)的壓縮比例可達(dá)35％-5O％，可有效節(jié)省配置存儲(chǔ)空間．

在As方式下，由FPGA主動(dòng)輸出控制和同步信號(hào)給專(zhuān)用串行配置芯片，配置芯片接收到配置命令后，就開(kāi)始將配置數(shù)據(jù)串行的發(fā)送至FPGA，完成配置工作．目前常用的專(zhuān)用串行配置芯片為容量為4Mb的EPCS4和16Mb的EPcS16等．AS配置模式主要用到四個(gè)信號(hào)：串行數(shù)據(jù)輸入DcLK、控制信號(hào)輸入AsDI、片選信號(hào)ncs和串行數(shù)據(jù)輸出DATA．

在PS方式下，由系統(tǒng)中其它設(shè)備發(fā)起配置過(guò)程，F(xiàn)PGA在配置過(guò)程中只輸出應(yīng)答信號(hào)，發(fā)起控制配置過(guò)程的設(shè)備可以是處理器、AltemEPC系列配置芯片、CPLD等功能設(shè)備．在下一小節(jié)將對(duì)PS配置方式做詳細(xì)的介紹．JTAG調(diào)試接口已經(jīng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口集成在芯片內(nèi)，主要用于芯片的測(cè)試，cycl0neII系列FPGA都支持JTAG方式對(duì)FPGA進(jìn)行配置，JrrAG方式具有比其它配置方式都高的優(yōu)先級(jí)．JrI'AG接口定義了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信H號(hào)：●rI℃K測(cè)試時(shí)鐘，各種信號(hào)都需要與測(cè)試時(shí)鐘同步；●TDI測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，測(cè)試數(shù)據(jù)串行輸入，數(shù)據(jù)在TCK上升沿傳送；●TDO測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)串行輸出，數(shù)據(jù)在TCK下降沿傳送；●TMs測(cè)試模式選擇，決定JTAG電路內(nèi)部TAP控制器狀態(tài)機(jī)的變化．2基于ARM的配置方法及實(shí)現(xiàn)2．1PS配置原理

如圖l所示，利用s3c2410x作為主控制器采用被動(dòng)串行方式對(duì)EP2c20內(nèi)部邏輯進(jìn)行重構(gòu)．FPGA的PS配置方式是比較常用的一種配置方式，可以有效實(shí)現(xiàn)FPGA的在線配置，其基本流程為：在系統(tǒng)中將FPGA被動(dòng)配置方式配置接口與ARM處理器的IO管腳相連，在處理器端通過(guò)軟件控制相應(yīng)管腳的高低電平將數(shù)據(jù)串行的發(fā)送到FPGA中．重構(gòu)程序運(yùn)行在ARM處理器中作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)，當(dāng)需要重配FPcA內(nèi)部邏輯時(shí)，調(diào)用相應(yīng)任務(wù)，配置完成后，刪除當(dāng)前任務(wù)即可，因此，可將預(yù)先建立的配置文件庫(kù)存儲(chǔ)到ARM的nash中，由ARM處理器中運(yùn)行的配置程序來(lái)完成動(dòng)態(tài)重構(gòu)任務(wù)。FPGA與Ps配置方式有關(guān)的管腳功能如表l所示：

整個(gè)配置過(guò)程幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)的時(shí)序圖如圖2所示，配置過(guò)程可以分為復(fù)位、配置和初始化三個(gè)階段：在復(fù)位階段，微處理器首先在nc0NFIG信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)寬度大于8s的負(fù)脈沖，然后開(kāi)始檢測(cè)nsTATus信號(hào)的狀態(tài)．FPGA檢測(cè)到ncONFIG信號(hào)的下降沿后會(huì)迫使nsTATus和cONF—DONE信號(hào)拉低，使FPGA處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)ncONFIG變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，F(xiàn)PGA退出復(fù)位狀態(tài)，釋放漏級(jí)開(kāi)路的nSTATUS管腳，nSTATuS在外部需要被l0K的上拉電阻拉高，nSTATUS管腳變?yōu)楦唠娖胶?，F(xiàn)PGA即進(jìn)人配置階段，此時(shí)，F(xiàn)PGA已做好了接收配置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備．

FPGA的nsTATuS管腳變高后，延時(shí)5s左右，在DCLK的上升沿FPGA即可從DAL0管腳串行的接收配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)按低位在先高位在后的順序從數(shù)據(jù)線上送出．當(dāng)所有數(shù)據(jù)都接收完后釋放漏級(jí)開(kāi)路的CONFIG—DONE管腳，CONFIG—DONE管腳在外部需要被10K的上拉電阻拉高，CONFIG—DONE管腳由低到高的跳變表明配置階段結(jié)束，F(xiàn)PGA進(jìn)入初始化階段．如果在配置過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則nrATuS管腳將輸出低電平，F(xiàn)PGA在內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，處理器可以通過(guò)查詢(xún)ns1IATuS管腳狀態(tài)判斷在配置過(guò)程中是否有錯(cuò)誤發(fā)生，如果nsTATuS管腳在配置過(guò)程中變低則表明有錯(cuò)誤發(fā)生，如果在軟件中設(shè)置了錯(cuò)誤發(fā)生后自動(dòng)重新開(kāi)始配置選項(xiàng)則FPcA會(huì)延時(shí)一段時(shí)間后釋放nsTATuS，此時(shí)nsTATuS被外部上拉電阻拉高，CPu在nsTA—Tus上檢測(cè)到一個(gè)由低到高的跳變后重新開(kāi)始配置．若軟件中未設(shè)置“錯(cuò)誤發(fā)生后自動(dòng)重新開(kāi)始配置”選項(xiàng)則需要CPu首先將nCONFIC管腳置低再拉高以開(kāi)始重新配置．

在初始化階段，初始化時(shí)鐘可以是FPGA內(nèi)部時(shí)鐘或外部由CLKusR管腳提供的時(shí)鐘，本例使用了FPGA內(nèi)部時(shí)鐘，F(xiàn)PGA將為初始化提供時(shí)鐘，這樣，初始化階段不再需要外部時(shí)鐘．初始化階段完成后INIT—DONE管腳變?yōu)楦唠娖?，指示FPGA成功進(jìn)人用戶(hù)模式，配置過(guò)程結(jié)束．需要注意的是，若此時(shí)CONF—DONE或INIT_DONE未變?yōu)楦唠娖?，則表明此次配置過(guò)程不成功，需要cPu重新進(jìn)行配置．2．2配置程序設(shè)計(jì)

下面是完整的重構(gòu)程序及流程圖(圖3所示)，作為s3c24lOxARM處理器μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)運(yùn)行，但在工程應(yīng)用中要結(jié)合實(shí)際情況做適當(dāng)修改．基于μC／OS—II配置程序：U8Fpga～DownLoad(v0id){U8Bootaddr；U32CountNum=O柏：u8FpgaBu如；U16i：Bo0taddT：(u8)(O】(33ooooo0)；／配置數(shù)據(jù)起始地址／SeI—Datao(O)；seLnCONFIG(0)；／_將ncONFIG置低電平／set—DCLK(O)；hude1ay(10)；／}延時(shí)1O／if(Re們一nSTATUS){prin(”err0r：nSTATuSis11”)；retumO；}Set—nC0NFIG(1)；while(!Read—nsTATUS)；hudelay(5)；pnd(”十cogIlreFPGA．-)；while(c0untNum<=O)(24294)／}串行配置數(shù)據(jù)／{FpgaBu任er=(Bo0t＆ddT+c0unum)；if(!(CountNum％1O24))pdnd(”．”)；f0r(．_O；i<8；i++){Set—Data0(FpgaBu丘腳1)；hudelay(1)；seLDCLK(O)；FpgaBu艉r>>=1；if(!ReaⅡ一ns1、ATUS){nEf(”＼n、卜C0gureError：nsTATusis01、n)；ren】mO；}Set—DCLK(1)；}C0untNum++：}SeI—Datao(O)；SeI—DCLK(O)；if(!Reau—nsTATuS){pntf(”、n＼r—ConfigureErmr：nsrATusisO!、n、r)；retumO；}}elseif(Read—nC0NF—Done){pntf(”＼n＼卜-Coguresuccess!、n)；}fnr(i=O；i(5O；i++)／初始化／{Set—DcLK(1)；hudeIay(1)；Set—DCLK(O)；hude1．dy(1)；}、if(!Read—nC0NF—D0ne){printf(”、r＼n—configureEnr：nCOF—Doneis01”)；retum0：}retuml：{3可重構(gòu)配置應(yīng)用

結(jié)合上述可重構(gòu)配置分析，我們利用了FPGA可重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)模塊化機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)．模塊化機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制電機(jī)數(shù)量多，而且針對(duì)不同構(gòu)形控制策略也有差別，如四自由度串聯(lián)式機(jī)器手構(gòu)形和全向移動(dòng)小車(chē)構(gòu)形(圖4所示)從控制策略到控制電機(jī)數(shù)量都有很大的不同，這就要求控制器可以根據(jù)不同構(gòu)形動(dòng)態(tài)的改變控制策略，也即控制器的可重構(gòu)．為此，在模塊化機(jī)器人可重構(gòu)控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出基于ARM和FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的模塊化機(jī)器人控制系統(tǒng)方案，充分利用嵌入式ARM核微處理器高性能、低功耗、資源豐富等方面的性能和FPGA內(nèi)部邏輯可重構(gòu)的特性，由主處理器根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前構(gòu)形選擇不同的控制策略并對(duì)FPGA內(nèi)部邏輯進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配，以適應(yīng)不同構(gòu)形及應(yīng)用的需要．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

ARM模塊選用s3c241Ox運(yùn)行C／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)運(yùn)行控制軟件，完成模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能及對(duì)FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)時(shí)重構(gòu)．FPGA內(nèi)部運(yùn)行軟核處理器，負(fù)責(zé)與模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的任務(wù)，如舵機(jī)控制、直流電機(jī)控制、系統(tǒng)IO控制、傳感器數(shù)據(jù)采集等任務(wù)．

對(duì)FPGA配置采用上述基于ARM的PS配置方法，平臺(tái)充分利用了FPcA內(nèi)部邏輯可重構(gòu)的特性，可組成多種不同構(gòu)形，不同構(gòu)形具有不同的物理結(jié)構(gòu)和控制方式，以滿(mǎn)足不同任務(wù)需求．其重構(gòu)方法采用：(1)根據(jù)具體構(gòu)形規(guī)劃系統(tǒng)硬件資源種類(lèi)，如構(gòu)形需要的直流電機(jī)數(shù)量、舵機(jī)數(shù)量、系統(tǒng)I／，O數(shù)量以及各種傳感器的數(shù)目．(2)根據(jù)硬件資源種類(lèi)修改FPcA內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)硬件層次的“重構(gòu)”．(3)根據(jù)FPGA邏輯的變化，進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)軟件層次的“重構(gòu)”．(4)將FPGA配置文件下載到ARM的存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)上電后，ARM結(jié)合需求通過(guò)讀取相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)的配置文件對(duì)FPGA進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)．