Leon3軟核的FPGA SelectMap接口配置設(shè)計(jì)

摘要：與通常采用外圍的CPLD器件和CPU來產(chǎn)生配置接口控制邏輯的方法不同，本文設(shè)計(jì)了采用嵌入到FPGA的Leon3開源CPU軟核來控制實(shí)現(xiàn)Virtex系列FPGA的SelectMap接口配置的方法，可將其應(yīng)用于對(duì)FPGA芯片的在線配置。該方法設(shè)計(jì)成本低，不局限于某一類型的FPGA芯片，減少了外圍分立元件的使用，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性。仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足SelectMap接口配置所需控制邏輯要求，可以完成FPGA的并行配置。
關(guān)鍵詞：FPGA；嵌入式CPU；Leon3軟核；SelectMap接口

引言
    嵌入式系統(tǒng)的硬件通常包括CPU、存儲(chǔ)器和各種外設(shè)器件，其中CPU是系統(tǒng)的核心，其重要性不言而喻。隨著FPGA和SOPC技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比，具有設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)成本低、集成度高、靈活性大、維護(hù)和升級(jí)方便、硬件缺陷修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)?；贔PGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和市場(chǎng)逐漸成熟，使得嵌入式CPU軟核(如Xilinx公司推出的MicroBlaze、Altera公司的Nios、歐空局開發(fā)的Leon3軟核等)的大量應(yīng)用成為可能。
    Virtex系列FPGA是Xilinx公司推出的一種高密度、大容量的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。該系列FPGA可支持動(dòng)態(tài)重構(gòu)，當(dāng)FPGA邏輯功能需要轉(zhuǎn)換，如算法改進(jìn)或是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，或FPGA配置數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤而導(dǎo)致功能失效(如在空間輻射環(huán)境下的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致配置數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等)，則需要對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置。通常采用的配置系統(tǒng)由CPU、CPLD、FPGA和存儲(chǔ)器構(gòu)成。本文結(jié)合具體應(yīng)用需求，介紹了利用嵌入式CPU Leon3軟核處理器對(duì)Virtex系列FPGA的配置進(jìn)行控制的方法。此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的重構(gòu)，并且減少了外圍CPU和CPLD器件的使用，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 Leon3軟核
    Leon3是歐空局開發(fā)的32位CPU軟核，其標(biāo)準(zhǔn)版是一種開源的軟核，使用GNU LGPL授權(quán)協(xié)議，可以免費(fèi)地應(yīng)用于研究、教學(xué)和商業(yè)目的。Leon3軟核使用VHDL語言描述，與SPARC V8兼容，使用7級(jí)流水線，集成了全流水的IEEE-754浮點(diǎn)處理器，提高了對(duì)多處理器的支持。由于Leon系列指令集符合SPARC V8標(biāo)準(zhǔn)，外部總線符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)，兼容軟件和IP核資源極其豐富，加上其開放源代碼的策略，對(duì)它的研究和應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。Leon3軟核具有良好的可配置性和可移植性，能夠根據(jù)需要靈活地選擇外圍控制器。并且該軟核不是FPGA廠商推出的，因此可以應(yīng)用于不同類型的FPGA芯片。Leon3開源軟核的Grlib IP庫中提供了多種功能模塊，如串口控制器、存儲(chǔ)器控制器、通用可編程I／O等，把該軟核及其外圍的控制模塊集成到FPGA中，構(gòu)成一個(gè)嵌入式片上系統(tǒng)。

2 SelectMap接口配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 Virtex系列FPGA配置方式
    Virtex系列FPGA基于SRAM工藝，共有4種配置方式：主串(master serial)、從串(slave setial)、SelectMap和邊界掃描(boundarysca-n)。串行(主串或從串)模式需要的配置信號(hào)少(PROGRAM、CCLK、DIN、INIT、DONE)，F(xiàn)PGA在配置時(shí)鐘的上升沿接收1位配置數(shù)據(jù)，該配置方式速度較慢。邊界掃描模式?jīng)]有存儲(chǔ)芯片，掉電后需重新配置，所以該種配置方式多用于調(diào)試階段。SelectMap模式是一種8位并行配置模式，它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式，其配置時(shí)鐘最高可達(dá)66MHz，每個(gè)配置時(shí)鐘周期內(nèi)有8位配置數(shù)據(jù)下載到FPGA內(nèi)。在對(duì)配置速度要求較高的一些應(yīng)用場(chǎng)合，一般采用SelectMap配置方式。
    SelectMap配置方式所需引腳及相應(yīng)功能如表1所列。表中BUSY信號(hào)是握手信號(hào)，只有當(dāng)配置時(shí)鐘的頻率超過50MHz時(shí)才起作用，本設(shè)計(jì)的配置時(shí)鐘頻率低于50MHz，因此不使用BUSY信號(hào)。M(2：0)是模式選擇信號(hào)，在SelectMap配置模式下，M(2：0)應(yīng)置為110。

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2．2 SelectMap接口配置硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    本文設(shè)計(jì)的SelectMap接口配置系統(tǒng)由兩片F(xiàn)PGA和存儲(chǔ)器(Flash)構(gòu)成，如圖1所示。設(shè)計(jì)中FPGA1選用了Xilinx公司Virtex系列芯片Vir-tex-5 XC5VSX95T，是需要進(jìn)行配置的芯片。FPGA2內(nèi)部嵌入了Leon3 CPU軟核，可利用該CPU軟核的存儲(chǔ)控制器模塊對(duì)Flash進(jìn)行讀寫控制；利用FPGA內(nèi)部豐富的資源，在FPGA2內(nèi)部集成一個(gè)自定義的SelectMap接口控制IP核，主要用來產(chǎn)生FPGA的配置信號(hào)，這些SelectMap配置信號(hào)的狀態(tài)由嵌入在FPGA2內(nèi)部的CPU Leon3軟核監(jiān)控。該設(shè)計(jì)采用開源的Leon3軟核CPU，并且充分利用了FPGA豐富的資源，與通常的SelectMap配置系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)成本低，設(shè)計(jì)較靈活。

    Flash存儲(chǔ)器采用Intel公司的JS28F256P30T95，具有32 MB的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)FPGA1的配置數(shù)據(jù)。因?yàn)镕lash的每個(gè)地址空間中存儲(chǔ)著16位數(shù)據(jù)，Leon3 CPU處理器讀取Flash地址中的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)以字節(jié)形式傳送到FPGA2。這個(gè)過程中，CPU處理器所在的FPGA2為FPGA1提供配置時(shí)序控制信號(hào)。這些控制信號(hào)的產(chǎn)生由FPGA2內(nèi)部集成的SelectMap接口控制IP核實(shí)現(xiàn)。該IP核的功能模塊由3個(gè)寄存器組成：配置寄存器、編程寄存器和輸入寄存器。每次CPU對(duì)Flash進(jìn)行讀或?qū)懖僮鲿r(shí)，這些寄存器存儲(chǔ)FPGA1的配置信號(hào)數(shù)據(jù)。其中配置寄存器和編程寄存器為只寫寄存器，輸入寄存器為只讀寄存器。詳細(xì)的邏輯框圖如圖2所示。CPU數(shù)據(jù)線在SelectMap接口控制IP核內(nèi)部寄存器的構(gòu)成如表2所列。

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    該配置邏輯模塊完成以下幾方面的功能：?jiǎn)?dòng)FPGA1配置時(shí)序；向FPGA1內(nèi)部傳入配置數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)FPGA1是否正常配置。使用嵌入式CPU軟核配置FPGA1的流程如下：
    ①啟動(dòng)FPGA1的配置時(shí)序。CPU地址線選中FPGA2內(nèi)部編程寄存器，數(shù)據(jù)線輸出FPGA1配置控制信號(hào)CS、WRITE和PROGRAM，將CS和WRITE置低，PROGRAM置高。
    ②監(jiān)測(cè)FPGA的配置狀態(tài)。CPU地址線選中FPGA2內(nèi)部輸入寄存器，接收FPGA1的輸出信號(hào)INIT，若其值為高，那么CPU開始發(fā)出FPGA1的配置數(shù)據(jù)，否則持續(xù)檢查INIT的值，直到其值為1。
    ③向FPGA1內(nèi)傳送配置數(shù)據(jù)。CPU地址線選中FPGA2內(nèi)部配置寄存器，數(shù)據(jù)線Data[15：8]輸出FPGA1的配置數(shù)據(jù)，Data[0]產(chǎn)生配置時(shí)鐘CCLK，在CCLK的上升沿FPGA1接收配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)傳送分兩步，首先Data[0]置0，然后Data[0]置1。CCLK產(chǎn)生一個(gè)上升沿，在此過程中Data[15：8]數(shù)據(jù)保持不變。重復(fù)此過程，CPU輸出FPGA1全部配置數(shù)據(jù)。
    ④檢查FPGA1是否配置成功。FPGA1的配置數(shù)據(jù)被傳送至結(jié)束時(shí)，CPU地址線選中FPGA2內(nèi)部輸入寄存器，接收FPGA1的輸出信號(hào)DONE。若其值為高時(shí)，說明FPGA1配置成功，否則需要重新配置FPGA1。
    SelectMap接口配置方式下FPGA的時(shí)序如圖3所示。

3 仿真及分析
    FPGA2采用Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T，SelectMap接口控制IP核采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)，嵌入式CPU軟核采用的是歐空局開發(fā)的Lcon3軟核。在XilinxISE 10．1平臺(tái)下完成對(duì)Lcon3 CPU軟核處理器、外圍控制器及自定義SelectMap接口控制IP核集成的設(shè)計(jì)、綜合，利用Modelsim SE6．0完成仿真。
    SelectMap配置仿真波形如圖4所示。由于FPGA1(Virtex-5 XC5VSX95T)的配置數(shù)據(jù)較大，仿真出完整的配置過程是不現(xiàn)實(shí)的，圖中用5個(gè)字節(jié)的配置數(shù)據(jù)來代替FPGA的完整配置過程。為了把配置寄存器數(shù)據(jù)Data和并行配置的8位數(shù)據(jù)相對(duì)照，分離出了Data的高8位Data[15：8]。從圖中可以看出，在一次完整的配置過程中，CS和WRITE為低，PROGRAM為高，當(dāng)監(jiān)測(cè)到INIT為高時(shí)發(fā)出配置數(shù)據(jù)，在配置時(shí)鐘CCLK的上升沿接收8位配置數(shù)據(jù)，DONE信號(hào)為高電平指示配置完成。該仿真結(jié)果和SelectMap配置方式的FPGA時(shí)序一致，證明了本設(shè)計(jì)的正確性及可行性。

結(jié)語
    通過使用嵌入式Lcon3 CPU軟核和FPGA及開發(fā)板上的存儲(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Xilinx公司的FPGA進(jìn)行SelectMap配置的一種有效的方案。這種方法減少了外圍器件的數(shù)目，增加了硬件系統(tǒng)地靈活性。此外，該方法除了可以完成FPGA芯片的配置外，更重要的是可以靈活地在線升級(jí)系統(tǒng)、修改和調(diào)試FPGA程序。如果存儲(chǔ)空間夠大，可以存儲(chǔ)不同功能的FPGA程序代碼，這樣就可根據(jù)實(shí)際情況來加載不同代碼，甚至通過通信接口也可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程下載代碼和更新系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)可在線配置，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適用性和靈活性。