通過USB接口實現(xiàn)FPGA 的SelectMap配置

摘要：本文提出了一種基于USB接口的FPGA SelectMap配置方式的實現(xiàn)方案。方案以大容量Spartan3 FPGA作為配置目標,選用Cypress EZ-USB FX2LP作為USB設(shè)備芯片,采用其內(nèi)置的端點FIFO和GPIF狀態(tài)機實現(xiàn)了一個高性能的配置數(shù)據(jù)傳輸通道,并設(shè)計了USB廠商請求來控制配置進程。方案具有配置靈活、成本低、速度快、實現(xiàn)簡單的特點,目前已在很多軟件無線電項目中得到應(yīng)用,具有很強的實用性。

1. 引言

FPGA 器件結(jié)合了ASIC 的高性能和微處理器的靈活，不僅擁有豐富的邏輯資源，而且可以進行方便靈活的配置。主動配置方式盡管配置速度快、實現(xiàn)簡單，但并未發(fā)揮FPGA 配置靈活的特點，適合于FPGA 用作單一應(yīng)用的場合，并且大容量的配置芯片及其占用的電路板面積也帶來了較高的成本；被動配置方式需要使用外部控制單元產(chǎn)生配置時序，實現(xiàn)一般較為復(fù)雜，而且在目前常見的方案中，常由于接口速率限制[1]或者采用微處理器介入數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍?，而造成配置速度不高。USB2.0 協(xié)議在目前PC 外設(shè)的接口方案中非常流行，它支持高速率、多管道、多類型的數(shù)據(jù)傳輸，可以方便的構(gòu)建出高性能的數(shù)據(jù)傳輸通道和靈活的控制通道。

本文提出了一種基于 USB 接口的FPGA SelectMap（并行被動）配置方式的實現(xiàn)方案，不但具有被動配置靈活、設(shè)計成本低的特點，而且實現(xiàn)簡單、配置快速。方案以Xilinx Spartan3系列目前最大容量的500 萬門FPGA（XC3S5000）作為配置目標，選用Cypress EZ-USBFX2LP 作為USB 設(shè)備芯片，并使用其內(nèi)部的大容量端點FIFO，在GPIF 狀態(tài)機的控制下，實現(xiàn)了一個高性能的配置數(shù)據(jù)傳輸通道。配置的進程則由設(shè)計的USB 請求來控制。此配置方案具有開發(fā)簡單、配置成本低、速度快、使用靈活的特點，具有很強的實用性。

2. 系統(tǒng)的總體設(shè)計

如圖 1 所示，系統(tǒng)使用USB 通道連接上位機和EZ-USB。EZ-USB 是一塊高速USB 外設(shè)芯片，它支持USB 協(xié)議所描述全部四種傳輸模式，并擁有1 個64Byte 的控制傳輸專用端點、2 個緩存為64Byte 的普通端點和4 個緩存最大可達1KB、并可以進行四倍緩沖的大端點。本設(shè)計方案使用了一個控制端點（端點0）和一個大端點（端點2）傳輸數(shù)據(jù)。其中控制端點是所有USB 設(shè)備所必備的，它用于在設(shè)備枚舉時傳輸USB 請求和相關(guān)數(shù)據(jù)，在本設(shè)計中，控制端點還用來傳輸專門設(shè)計的USB 廠商請求來控制配置進程、獲取配置狀態(tài)。大端點用來傳輸配置數(shù)據(jù)，由于配置數(shù)據(jù)需要及時、無誤的傳輸，因此使用可以同時保證傳輸準確性和最大延時的中斷傳輸方式，并設(shè)置端點緩存為1KB、做4 倍緩沖，最大傳輸間隔為一個微幀（125us），且每個傳輸間隔內(nèi)傳輸3 個有效載荷為1KB 的包（最后一個包的載荷可能小于1KB），這樣配置數(shù)據(jù)在USB 通道中的傳輸速率可達到3*1KB*（1/125us）=24000KB/s。

數(shù)據(jù)從端點轉(zhuǎn)移到外設(shè)（FPGA）的過程中，如果使用USB 設(shè)備芯片內(nèi)嵌的8051 MCU進行轉(zhuǎn)移的話，最快8 個時鐘周期才能傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)[2]，在8051 的時鐘周期為48MHz情況下，傳輸速度為6MB/s，遠小于USB 通道的傳輸速率，會成為瓶頸而無法發(fā)揮出USB傳輸通道高傳輸速率的優(yōu)勢；而如果通過位寬為8bit 的 FIFO 來傳輸?shù)脑?，最快情況下，每時鐘周期都可以傳輸一個字節(jié)數(shù)據(jù)[2]。在EZ-USB 中，大端點的緩存可以作為端點FIFO 直接連接FPGA 的配置數(shù)據(jù)輸入口形成高速傳輸通道，端點FIFO 的讀寫時序可由EZ-USB 內(nèi)嵌的GPIF（General Programmable Interface）產(chǎn)生，MCU 可以不參與端點到FPGA 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，只起到配置和控制的作用，在FIFO 位寬為8bit，GPIF 時鐘頻率為48MHz 的情況下，傳輸速率為48MB/s，這樣數(shù)據(jù)從端點到FPGA 的傳輸速度超過了上位機到端點的USB 中斷傳輸管道的最大速度，不對USB 傳輸通道構(gòu)成瓶頸。

3. 配置時序的發(fā)生

配置數(shù)據(jù)需要在配置時序的配合下寫入 FPGA。GPIF 是一個可編程的狀態(tài)機，它可以采集5 個輸入引腳（RDY）的狀態(tài)，并通過5 個輸出引腳（CTL）對外產(chǎn)生任意時序，因此可用來產(chǎn)生FPGA 的配置時序。表1 說明了FPGA 在SelectMap 模式下各配置引腳的作用，如圖1 所示，CCLK 連接EZ-USB 提供的界面時鐘IFCLK，D[7:0]連接端點FIFO，其它配置引腳連接著GPIF 狀態(tài)機的RDY 及CTL 引腳。為了確保各引腳的輸入有充足的建立時間供FPGA 采樣，F(xiàn)PGA 的時鐘輸入應(yīng)與GPIF 的內(nèi)部時鐘倒相。

根據(jù)配置時序所設(shè)計的 GPIF 狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2 所示。配置時鐘為48MHz，所以PROG 低脈沖要維持25 個時鐘周期，狀態(tài)機會根據(jù)端點FIFO 的空滿狀態(tài)控制FPGA 的CS 引腳，確保FPGA 在FIFO 有配置數(shù)據(jù)輸出的情況下進行數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)輸出在字節(jié)計數(shù)達到FPGA 配置比特流文件的字節(jié)數(shù)值時停止，500 萬門的XC3S5000 為13271936 bit。

4. 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

4.1 EZ-USB 固件程序設(shè)計

EZ-USB 的固件框架如圖3 所示，Cypress 為大部分模塊提供了完整的代碼，本設(shè)計需要編寫的模塊有TD_Init，TD_Poll 和USB 請求解析模塊。TD_Init 模塊僅執(zhí)行一次，作用是設(shè)置端點和GPIF 傳輸界面，以及將端點2 緩存的控制權(quán)交給邏輯單元使得邏輯單元可以將總線上收到的數(shù)據(jù)包裝入緩存。TD_Poll 模塊會反復(fù)執(zhí)行，作用是在端點2 的緩存填入數(shù)據(jù)包后，開啟GPIF 狀態(tài)機，將FIFO 內(nèi)的配置數(shù)據(jù)寫入FPGA。USB 請求解析模塊需要解析本方案設(shè)計的2 條USB 廠商請求，0xB1 和0xB2，它們用于配置初始化和查詢配置狀態(tài)。

4.2 上位機程序設(shè)計

由于 Cypress 已提供USB 設(shè)備驅(qū)動，因此上位機程序只需要獲得了一個至 USB 設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，打開包含配置代碼的文件并對其進行語法分析，在 USB 中斷傳輸?shù)拿看握{(diào)用過程中傳送取自配置文件的1024 字節(jié)發(fā)送出去，這一過程將繼續(xù)下去，直到配置文件中沒有剩余字節(jié)為止。

5. 配置性能的實際測試

配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i在 USB 傳輸通道，而采用中斷端點時，USB 傳輸通道的速度極限值應(yīng)為24000KB/s，對于500 萬門的XC3S5000 而言，傳輸13271936bit 配置數(shù)據(jù)的理論時間約為527.4ms。

對配置時間進行的實際測試中，使用500 萬門的XC3S5000 作為配置對象，使用測量精度為10ms 的碼表測量從送出配置文件到FPGA 的Done 引腳所連接的LED 點亮的時間差，經(jīng)測量，配置實際使用時間為540ms?？紤]到MCU 判斷端點緩存和開啟標志，以及開啟狀態(tài)機所用時間，實測值比理論值多出的時間是合理的。

6. 結(jié)論

采用 Cypress EZ-USB 及其內(nèi)置的GPIF 狀態(tài)機對大容量FPGA 進行 SelectMap 方式配置的方案，不僅具有被動配置方式靈活性高的優(yōu)點，而且因為不需要大容量配置存儲器、同時可以節(jié)約電路板空間，所以實現(xiàn)成本較低。另外Cypress 完善的開發(fā)工具也使得方案的實現(xiàn)非常簡單。經(jīng)過實際測試，本方案的配置速度非?？?，對于大規(guī)模FPGA 配置時間也能在一秒之內(nèi)完成，因此本方案具有很好的實用價值。

本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計了一種針對大規(guī)模FPGA 的實用配置方案，配置方式靈活、配置、速度快、配置成本低、系統(tǒng)開發(fā)簡單。