FPGA的在應(yīng)用編程技術(shù)研究

引 言
    在FPG人中實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程(In Application Pro—gramming，IAP)有兩種方法：一種是，在電路板上加外電路。例如用MCU或CPLD來接收配置數(shù)據(jù)，在被動串行(PS)模式下由外電路編程FPGA或是編程Flash器件(包括EPCS和Flash)，然后控制FPGA的配置復(fù)位引腳來復(fù)位整個(gè)FPGA，最后FPGA采用主串方式進(jìn)行自我配置。另一種是，通過FPGA中的Nios CPU或是專用IP來接收編程數(shù)據(jù)，并編程Flash芯片，然后通過外部簡單電路將FPGA復(fù)位啟動，以主動串行(AS)模式進(jìn)行配置。
    為了減小電路板面積，節(jié)約成本，提高可靠性，本設(shè)計(jì)采用第二種方法。本設(shè)計(jì)的要求是：硬件電路須配置為主動串行模式，即選擇MSEL[1：O]為l：O；具備EPCS，或同時(shí)具備EPCS和Flash；具有與PC機(jī)通信的功能。FPGA接收更新數(shù)據(jù)，并將其存入Flash器件，然后復(fù)位Nios或FPGA對軟硬件進(jìn)行更新。 

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由Cyclone FPGA、EPCS、Flash和串行通信等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    EPCS采用Altera公司的EPCS4，容量達(dá)到4 Mb，引腳較少，成本低，支持3．3 V低電壓操作。Flash芯片采用AMD公司的Am29LV640MH／L，支持3．O V低電壓操作，具有低功耗特性，芯片容量為64 Mb，滿足大容量數(shù)據(jù)的存儲；并口操作，與Cyclone FPGA完全兼容，而且在SOPC中有與之對應(yīng)的CFI_FLASH核，便于硬件電路的設(shè)計(jì)。

2 工作原理
2．1 幾個(gè)概念
    FPGA配置數(shù)據(jù)：是sof文件，將sof文件編程到Flash中，上電后FPGA可以從Flash中配置。sof文件是其他配置文件的基礎(chǔ)，其他文件均可由sof文件轉(zhuǎn)換得到。
    軟件數(shù)據(jù)：通過NiosII IDE創(chuàng)建elf文件，將用戶程序編程到Flash中，允許復(fù)位后從F1ash中加載軟件程序，從而啟動NiosII CPU。
2．2 編程文件
    編程文件為Flash格式的文件，即S—reeorld(簡稱“SREC”)格式。SREC格式是Motorola公司制定的一種燒寫格式標(biāo)準(zhǔn)。SREC格式文件是由一組ASCII碼組成，所有的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)均為大寫形式，結(jié)構(gòu)說明如下：
    ①起始代碼。以S作為一個(gè)數(shù)據(jù)行的開始。
    ②記錄類型。1個(gè)十進(jìn)制數(shù)字(O～9)，定義數(shù)據(jù)域的類型。
    ③字節(jié)數(shù)。1個(gè)字節(jié)，定義字節(jié)數(shù)之后除地址字節(jié)、校驗(yàn)字節(jié)之外其他字節(jié)的個(gè)數(shù)。
    ④地址。由4(或6、8)個(gè)字節(jié)組成，定義了第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)存儲的位置。
    ⑤數(shù)據(jù)字節(jié)。由n個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)字節(jié)為實(shí)際有效的編程信息。
    ⑥校驗(yàn)字節(jié)。1個(gè)字節(jié)，作校驗(yàn)使用，所有十六進(jìn)制字節(jié)相加后取8位，為0xFF。
2．3 AS配置模式
    FPGA的配置數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部SRAM單元中。由于SRAM掉電后數(shù)據(jù)會丟失，因此每次上電時(shí)必須重新將配置數(shù)據(jù)寫入SRAM中。這個(gè)過程稱為“FPGA的配置”。由此可見，F(xiàn)PGA的配置信息是存儲在FPGA內(nèi)部RAM當(dāng)中的?？芍谥鲃哟心Ｊ较?，F(xiàn)PGA將配置數(shù)據(jù)從EPGS中讀取，然后存入內(nèi)部RAM中。
    AS配置模式支持StratixII和Cyclone系列的FPGA，通過配置MSEL[1：O]為1：0，選擇主動配置模式(除JTAG模式不受MSEL控制外，其他配置方式均由MSEL決定)。AS配置模式使用串行配置器件(EPCS1／EPCS4／EPCSl6／EPCS64)。在AS配置過程中，StratixlI和Cy—clone系列的FPGA是主設(shè)備，串行配置器件為從設(shè)備。如圖2所示，在AS配置模式下，F(xiàn)PGA通過DATA0接收配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)和DCLK是同步的。每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸1位配置數(shù)據(jù)。通過控制nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE來表示配置過程。串行配置芯片在DCLK上升沿時(shí)鎖存輸入信號和控制信號，在下降沿時(shí)輸出配置數(shù)據(jù)。Cyclone芯片在DCLK下降沿時(shí)輸出控制信號，并鎖存配置數(shù)據(jù)。

3 工作流程
3．1 硬件配置的更新
    如圖3所示，F(xiàn)PGA的配置過程分為：復(fù)位、配置和初始化。

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    (1)復(fù)位FPGA

    上電復(fù)位：在用戶模式下，當(dāng)nCONFIG引腳持續(xù)低電平40μs時(shí)，F(xiàn)PGA將進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，F(xiàn)P—GA采樣MSEL引腳的電平值，以確定采用的配置方式；同時(shí)，nSTATUS和CONF_DONE引腳由FPGA置為低電平，所有I／0引腳為三態(tài)且FPGA內(nèi)部配置寄存器被清空。
    FPGA復(fù)位的2種方法：
    ①外加RC復(fù)位電路或者復(fù)位芯片，自動產(chǎn)生上電復(fù)位脈沖。
    ②參考芯片手冊。如果芯片提供了上電復(fù)位脈沖(一般是全局復(fù)位信號)，則使用它作為復(fù)位信號；若沒有提供，則查找芯片是否給出了寄存單元上電默認(rèn)值(一般是O)，利用該特性復(fù)位或者產(chǎn)生復(fù)位脈沖。
    (2)配置FPGA
    復(fù)位后，nCONFIG被外部上拉電阻拉高，進(jìn)入配置階段。此時(shí)，nSTATUS被FPGA釋放并由外部上拉電阻拉為高電平后進(jìn)入配置狀態(tài)。Cyclone芯片通過將nCSO輸出的信號置低來使能串行配置芯片，nCS0引腳連接配置芯片的片選段(nCS)，用串行時(shí)鐘(DCLK)和串行數(shù)據(jù)輸出(ASDO)引腳來發(fā)送操作指令，及／或?qū)⒌刂沸盘栕x到串行配置芯片中。接著配置芯片將數(shù)據(jù)送到串行數(shù)據(jù)輸出(DATA)引腳，DATA引腳連接Cyclone芯片的DATA0輸入腳。配置數(shù)據(jù)在DCLK時(shí)鐘的上升沿載入FPGA。當(dāng)接收完所有的配置位后(CRC校驗(yàn)無誤)，Cyclone芯片懸空CONF_DONE引腳，該引腳由外部10 kΩ電阻拉高；同時(shí)，停止驅(qū)動DCLK信號。只有當(dāng)CONF_DONE到達(dá)一定的邏輯高電平后，初始化才開始。
    (3)初始化階段
    在Cyclone芯片中，初始時(shí)鐘源是Cyclone芯片的lOMHz(典型的)內(nèi)部晶振，或者是可供選擇的CLKUSR引腳。內(nèi)部晶振是默認(rèn)的初始化時(shí)鐘源。如果用了內(nèi)部時(shí)鐘，則Cyclone芯片為正確的初始化提供足夠的時(shí)鐘。使用內(nèi)部時(shí)鐘的好處在于，初始化時(shí)不需要從外部發(fā)送其他的時(shí)鐘到CLKUSR引腳，而且可以把CLKUSR引腳當(dāng)作I／O引腳。
    (4)用戶模式
    初始化結(jié)束后，F(xiàn)PGA進(jìn)入用戶模式。在用戶模式下，用戶I／O引腳不再有弱上拉電阻，而是執(zhí)行設(shè)計(jì)中分配的功能。Cyclone芯片可以通過將nCONFIG拉低而開始重新配置。nCONFIG低信號應(yīng)該至少持續(xù)40μs。當(dāng)nCONFIG被拉低時(shí)，Cyclone芯片被復(fù)位并進(jìn)入復(fù)位階段。Cyclone芯片也會把nSTATUS和CONF_DONE拉低，所有的I／O引腳處于三態(tài)。一旦nCONFIG回到邏輯高電平，Cyclone芯片將釋放nSTATUS，重新開始配置。
    (5)配置時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤
    如果在配置時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則Cyclone芯片將nSTA—TUS信號置低來表明一個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤，CONF_DONE信號為低。如果在Quartus軟件的Device&Pin Options窗口的General項(xiàng)中，選中Auto—restart configuration aftererror選項(xiàng)，則Cyclone芯片通過激活nCSO來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，在復(fù)位失效時(shí)間(40μs)后釋放nSTATUS，并再次嘗試配置。如果該選項(xiàng)未被選中，則外部系統(tǒng)必須監(jiān)視nSTA—TUS信號以防出錯(cuò)，然后將nCONFIG信號拉低并持續(xù)至少40μs來重新配置。
    計(jì)算機(jī)與目標(biāo)板上的Nios程序建立連接，通過通信接口將Flash文件傳輸給FPGA；Nios程序判斷出傳輸文件的針對目標(biāo)后，將編程數(shù)據(jù)存放在EPCS或Flash中。接收到的數(shù)據(jù)首先暫存入SDRAM，而不是直接對EPCS和Flash進(jìn)行操作。這樣做的好處是，一旦傳輸失敗或中止，不會破壞原有EPCS和Flash中的數(shù)據(jù)。
    通過sof2Flash命令來生成Flash文件時(shí)，可以通過SOPC Builder打開NioslI command shell，使用“sof2 Flash—epcs-input=<輸入文件名．sof>一output=<輸出文件名．Flash>”命令，生成的Flash文件存在于工程目錄下。也可以將sof文件復(fù)制到“〈quartus安裝目錄〉＼kits＼nios2_60＼examples”下，直接打開NiosII command shell，使用“sof2Flash-epcs—input=<輸入文件名．sof>一output=<輸出文件名．Flash>”，生成的Flash文件存在于“〈quartus安裝目錄〉＼kits＼nios2_60＼examples”下。
3．2 軟件程序的更新
    如前所述，軟件程序既可以存放在Flash中，也可以存放在EPCS中。生成軟件Flash文件的最簡單的方式是，在NiosII IDE環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行編譯，生成的Flash文件存在于“<目標(biāo)工程>＼software＼debug＼<軟件工程>＼Debug＼obj＼”目錄下。
    Nios程序可以存放在Flash中，在SDRAM或On—chip RAM(以下統(tǒng)稱“RAM”)中運(yùn)行。這種情況需要有一個(gè)專門的Bootloader，該文件存在于“ quartus安裝目錄>＼kits＼nios2_60＼components＼altera_nios2”目錄下，名稱為“boot_loader_cfi．srec”。它把存放在Flash中的各個(gè)程序段搬到程序執(zhí)行時(shí)各個(gè)段真正的位置。
    如圖4所示，Bootloader代碼位于Flash的低地址處，NiosII就被邏輯中的復(fù)位電路復(fù)位，從reset地址處開始執(zhí)行代碼。如果reset地址設(shè)置在Flash中，那么復(fù)位后首先運(yùn)行Flash前面的Bootloader代碼，由Bootloader代碼將后面的用戶程序引導(dǎo)到指定位置。執(zhí)行elf2Flash應(yīng)用程序在elf文件前會插入一個(gè)引導(dǎo)復(fù)制(Boot—copier)程序，前提是，elf將被鏈接到RAM中運(yùn)行。

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    Bootloader的工作流程如圖5所示。

    NiosII C程序在運(yùn)行之前需要做一些初始化工作。如果程序直接從Flash中運(yùn)行，則Crt0．S是最先執(zhí)行的代碼；如果程序不是直接從Flash中運(yùn)行，則Crt0．S是執(zhí)行完Bootloader后最開始執(zhí)行的代碼。
    運(yùn)行完Bootloader后仍然要執(zhí)行CrtO．s，但此時(shí)Crt0．s的流程和程序在Flash中直接運(yùn)行的情況有一些區(qū)別：它沒有初始化指令Cache，也不會企圖去裝載別的段，這些步驟已經(jīng)在Boot—loader中完成。程序映像已經(jīng)包含這些段，在搬移程序映像的同時(shí)也裝載了相應(yīng)的段(．rodata段，．rwdata段和．exceptions段)。程序映像中不包含．bss段和棧，所以仍然需要清．bss段，以及設(shè)置棧指針sp和全局指針gp。Bootloader沒有讀寫存儲器數(shù)據(jù)，因此沒有初始化數(shù)據(jù)Cache，所以Crt0．S仍然要初始化數(shù)據(jù)Cache。如圖6所示，當(dāng)Bootloader讀取到L時(shí)，L=0表示前面所有的程序記錄已經(jīng)處理完畢，這是最后的程序記錄，所以就直接跳到地址A的地方執(zhí)行。顯然A必須是程序的入口地址。如果L=Oxffffffff(即一1)，那么就忽略A并停機(jī)，這樣，即使是一個(gè)只有FPGA配置數(shù)據(jù)而沒有程序的EPCS也是安全的。當(dāng)一個(gè)EPCS只有配置數(shù)據(jù)而沒有程序時(shí)，sof2Flash會在配置數(shù)據(jù)的末尾增加4個(gè)字節(jié)的Oxff，使Bootloader不會有誤動作。Bootloader的工作流程與Flash中相同，如圖5所示。

4 軟件編程
    Altera公司提供給客戶兩種類型的函數(shù)：SimpleFlash Access(簡單的Flash訪問)，以及Fine—GrainedFlash Access(細(xì)粒度Flash訪問)。本文使用Fine—Grained Flash Access函數(shù)，雖然比Simple Flash Access復(fù)雜一些，但可以避免通常的跨塊擦除問題。因?yàn)镕lash是按照塊(Block)組織起來的，通常一次擦除一整個(gè)塊。如果寫Flash的地址與Flash塊的組織結(jié)構(gòu)不吻合，比如跨越了Flash塊的邊緣，那么可能會擦除掉其余的數(shù)據(jù)。在使用Flash的讀寫函數(shù)時(shí)，頭文件中要包含“sys／alt_Flash．h”和“sys／alt_Flash_dev．h”，這兩個(gè)頭文件提供了訪問Flash器件的驅(qū)動接口。
    使用之前要打開Flash。打開Flash，就像C程序打開硬盤中的數(shù)據(jù)文件一樣。這里使用alt_Flash_open_dev()打開Flash，它返回一個(gè)句柄。例如：

其中，fd是alt_Flash_open_dev()返回的句柄；offset是相對Flash基地址的偏移量，是讀操作中要讀出數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)的地址；length是本次操作的數(shù)據(jù)長度，單位是字節(jié)。當(dāng)返回值為時(shí)，表示讀操作成功。

其中，fd是a1t_Flash_open_dev()返回的句柄；offset是相對Flash基地址的偏移量，是寫操作中要寫入的數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)的地址；length是本次操作的數(shù)據(jù)長度，單位是字節(jié)。當(dāng)返回值為O時(shí)，表示寫操作成功。
    使用完后別忘記關(guān)閉該Flash，就像讀寫完硬盤中的數(shù)據(jù)文件后要關(guān)閉一樣。其原型如下：
void alt_Flash_close_dev(alt_Flash_fd*fd)；
其中，fd是alt_Flash_open_dev()返回的句柄。
    編者注：Flash器件讀寫程序略。

結(jié) 語
    目前，在FPGA的開發(fā)過程中，每次進(jìn)行程序的調(diào)試和更新時(shí)都需要將產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)直連，進(jìn)行在線操作，這樣就限制了程序調(diào)試和更新的空間范圍。而基于FPGA的在應(yīng)用編程技術(shù)就是為了打破這種限制而設(shè)計(jì)的。在應(yīng)用編程技術(shù)對硬件要求極低，只要滿足FPGA是Cy—clone系列，具有Flash器件，具有上下位機(jī)的通信能力，無需增加太多的硬件資源，都可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程。如果產(chǎn)品具有網(wǎng)絡(luò)功能或無線功能，那么在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場和野外可以免除到現(xiàn)場反復(fù)拆卸、調(diào)試的麻煩。對于保密產(chǎn)品，該項(xiàng)技術(shù)可以保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，通過網(wǎng)絡(luò)更新產(chǎn)品的軟硬件，增加了更新過程中被破解的難度。