TMS320C61416控制FPGA數(shù)據(jù)加載設(shè)計(jì)
目前實(shí)現(xiàn)加載的方法通常有兩種:一種是用專用Cable通過(guò)JTAG口進(jìn)行數(shù)據(jù)加載,另一種是外掛與該FPGA廠商配套的PROM芯片。前者需要在PC機(jī)上運(yùn)行專用的加載軟件,直接下載到FPGA片內(nèi),所以掉電數(shù)據(jù)仍然會(huì)丟失,只適用于FPGA調(diào)試階段而不能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)加載。后者雖然可以解決數(shù)據(jù)丟失問題,但這種專用芯片成本較高,供貨周期也較長(zhǎng)(一般大于2個(gè)月),使FPGA產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間受到很大約束。根據(jù)FPGA芯片加載時(shí)序分析,本文提出了采用通過(guò)市面上常見的Flash ROM芯片替代專用PROM的方式,通過(guò)DSP的外部高速總線進(jìn)行FPGA加載;既節(jié)約了系統(tǒng)成本,也能達(dá)到FPGA上電迅速加載的目的;特別適用于在FPGA調(diào)試后期,待固化程序的階段。下面以兩片Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX60芯片為例,詳細(xì)介紹采用TI公司的TMS320C61416 DSP控制FPGA芯片數(shù)據(jù)加載的軟硬件設(shè)計(jì)。
1 Xilinx FPGA配置原理
Virtex-4系列的FPGA芯片外部配置引腳MODE PIN(M0、M1、M2),有5種配置模式,如表1所列。
FPGA在Slave SelectMAP方式下,共用了表2所列的15個(gè)配置引腳。
1.1 配置流程
FPGA加載時(shí)序如圖1所示。各配置信號(hào)必須滿足其時(shí)序關(guān)系,否則配置工作無(wú)法正常完成。
圖1中,Slave SelelctMAP加載主要包括以下3個(gè)步驟:
①啟動(dòng)和初始化。FPGA上電正常后,通過(guò)PROG_B引腳低脈沖進(jìn)行FPGA異步復(fù)位,使得FPGA內(nèi)部邏輯清零。其次PROG_B上拉高,停止外部復(fù)位,INIT_B引腳會(huì)在TPOR時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變,指示FPGA內(nèi)部初始化完成,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)下載;同時(shí)FPGA在INIT_B的上升沿采樣其模式引腳MODE PIN,決定其模式配置。
?、诒忍亓骷虞d。INIT_B信號(hào)變高后,不需要額外的等待時(shí)間,Virtex器件就可以立即開始數(shù)據(jù)的配置。比特流數(shù)據(jù)在外部CCLK信號(hào)上升沿按字節(jié)方式置入。該過(guò)程包括同步初始化字、器件ID號(hào)校驗(yàn)、加載配置數(shù)據(jù)幀、CRC校驗(yàn)4個(gè)部分。
?、跾TARTUP啟動(dòng)。在成功校驗(yàn)CRC碼位后,比特流命令使得FPGA進(jìn)入STARTUP狀態(tài)。它是由8相狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。中間包括等待DCM鎖相、DCI匹配等幾個(gè)狀態(tài),最后FPGA釋放外部DONE引腳,對(duì)外輸出高阻態(tài),由外部上拉高,指示FPGA加載成功。
1.2 文件生成
ISE生成數(shù)據(jù)文件主要有3種:BIT文件,由二進(jìn)制格式進(jìn)行表征邏輯設(shè)計(jì),包括文件頭和配置數(shù)據(jù),主要用于JTAG下載電纜模式;MCS文件,為外部PROM燒寫生成的下載文件,ASCII碼,與前者不同的是它含有在PROM中的數(shù)據(jù)地址和校驗(yàn)值;BIN文件格式,由二進(jìn)制表示,完全由配置數(shù)據(jù)組成,不需要作其他的提取和進(jìn)制轉(zhuǎn)換,只是配置前的Byte-Swapped是在CPLD中實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用的是BIN文件格式。
2 硬件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用2片Xilinx Virtex-4系列的600萬(wàn)門的FPGA XC4VLX60。主MCU是TI公司高性能定點(diǎn)處理器TMS320C6416,對(duì)外有2個(gè)EMIF總線接口,分別是64位寬EMIFA和16位寬EMIFB。EMIFB上掛有8位8MB的Flash和16位CPLD:Flash做2片F(xiàn)PGA的BIN文件保存,之前由仿真器燒寫;CPLD用于2片F(xiàn)PGA地址譯碼和DSP與FPGA配置部分的邏輯接口。整個(gè)數(shù)據(jù)流程是在DSP上電啟動(dòng)后,Bootloader自行引導(dǎo)用戶程序運(yùn)行。該程序負(fù)責(zé)由EMIFB總線搬移Flash空間中BIN文件,通過(guò)CPLD分別對(duì)2片F(xiàn)PGA進(jìn)行配置加載。硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件包括3部分:引導(dǎo)Bootloader代碼,加載FPGA用戶程序以及接口部分的CPLD Verilog代碼。
3.1 DSP Bootloader
本系統(tǒng)中目標(biāo)板處于FPGA調(diào)試后期,需要固化其加載程序。整板上電后,要求脫離仿真器自行加載FPGA,因此這里采用DSP的EMIF BooT方式。它是由DSP上電復(fù)位后,以默認(rèn)ROM時(shí)序通過(guò)EDMA自行搬移BCE1的ROM空間前1 KB內(nèi)容到片內(nèi),在其0x0地址開始運(yùn)行。
一般由C編寫的程序代碼長(zhǎng)度都遠(yuǎn)大于1 KB,如果只是純粹由DSP搬移Flash前1 KB空間,這樣便會(huì)丟失數(shù)據(jù),程序無(wú)法正常運(yùn)行。這里采用由匯編語(yǔ)言寫的一個(gè)兩次搬移的Bootloader程序,來(lái)引導(dǎo)較大的用戶程序。使用匯編語(yǔ)言是因?yàn)槠浯a效率高,代碼長(zhǎng)度短(本系統(tǒng)中只有256字節(jié))。兩次搬移是因?yàn)榈谝淮蜠SP自行搬移后的Bootloader會(huì)占用片內(nèi)的0x0地址前1 KB空間,與下一步的用戶程序0x0地址拷貝沖突(中斷向量表必須放在0x0地址,否則會(huì)丟失中斷跳轉(zhuǎn)的絕對(duì)地址),且運(yùn)行中的Bootloader不能覆蓋自身。所以把拷貝用戶程序的那部分代碼放在片內(nèi)較底端運(yùn)行,騰出了用戶空間的0x0地址。最后整體拷貝結(jié)束后,Bootloader再跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口地址c_int00運(yùn)行。
3.2 用戶程序和CPLD程序
本系統(tǒng)中2片F(xiàn)PGA加載的原理一樣。為避免繁瑣,這里以1片F(xiàn)PGA_A為例來(lái)作介紹。
CPLD在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)2項(xiàng)工作。
①映射DSP端Flash分頁(yè)寄存器:控制Flash的高3位地址線,分8頁(yè),每頁(yè)1 MB空間。
②映射DSP端2片F(xiàn)PGA的加載寄存器:
a.配置寄存器FpgaA(B)_config_Reg[8:O]。負(fù)責(zé)配置數(shù)據(jù)和時(shí)鐘,高8位為Byte-Swapped前的數(shù)據(jù)位,輸出到配
置引腳時(shí)進(jìn)行字節(jié)交換,最低位為CCLK位。
b.控制寄存器FpgaA(B)_Prog_Reg[2:O]。負(fù)責(zé)外部控制引腳,分別為CS_B、RDWR_B和PROG_B。
c.狀態(tài)寄存器FpgaA(B)_State_Reg[2:0]。負(fù)責(zé)回讀配置中的握手信號(hào),分別為BUSY、DONE和INIT_B。
由Bootloader引導(dǎo)的用戶程序由C語(yǔ)言開發(fā),在CCS下調(diào)試通過(guò)。它主要實(shí)現(xiàn)Flash翻頁(yè),把之前燒寫在Flash中的BIN文件,通過(guò)上述CPLD中3個(gè)加載寄存器對(duì)FPGA進(jìn)行上電配置。具體流程如圖3所示。
當(dāng)前FPGA配置時(shí)鐘CCLK是在用戶程序中通過(guò)DSP寫命令產(chǎn)生的,即寫FpgaA(B)_Config_Reg的CCLK位高低電平;同時(shí)8位配置數(shù)據(jù)也連續(xù)寫2次,由CPLD鎖存到FPGA總線上,便能充分保證圖1中該有效數(shù)據(jù)在CCLK上升沿上被鎖。
以下是CPLD中動(dòng)態(tài)加載部分的Verilog代碼:
//FPGA控制寄存器(DSP只寫)
結(jié) 語(yǔ)
該系統(tǒng)已成功用于某公司一款軟件無(wú)線電平臺(tái)中,通過(guò)反復(fù)軟硬件調(diào)試,現(xiàn)已投放市場(chǎng)。此平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)上述提到的上電Flash自行加載FPGA的目的,還可在其配置完以后通過(guò)主機(jī)端對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載,充分滿足了軟件無(wú)線電中可重構(gòu)化、實(shí)時(shí)靈活的指導(dǎo)思想。