一種基于ARM-Linux的FPGA程序加載方法

　　摘要：本文實(shí)現(xiàn)了一種基于 ARM-的 程序加載方法，詳細(xì)討論了加載過(guò)程中各個(gè)階段程序?qū)ε渲霉苣_的操作，給出了硬件實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)了運(yùn)行于 ARM處理器的嵌入式 上的驅(qū)動(dòng)程序。

　　1、引言

　　在系統(tǒng)上電時(shí)，需要從外部載入所要運(yùn)行的程序，此過(guò)程被稱為程序加載。多數(shù)情況下，從外部專用的 讀入程序。這種方式速度慢，而且只能加載固定的程序。顯然，當(dāng)系統(tǒng)需要容量大而且 FPGA要加載的程序可以根據(jù)需要有選擇的加載時(shí)不能采用這種方法。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于外部處理器的加載方法，速度快，而且可以根據(jù)設(shè)置給FPGA加載相應(yīng)的程序。

　　對(duì)于 公司的 FPGA芯片，有五種加載方式：JTAG模式，串行從模式，串行主模式，并行從模式和并行主模式。JTAG模式常用于調(diào)試時(shí)，將主機(jī)好的程序加載到FPGA，優(yōu)先級(jí)高于幾種模式。加載模式取決于 FPGA上加載模式管腳（M0，M1，M2）的設(shè)置。

　　用外部處理器給 FPGA加載程序時(shí)，可以采用串行從模式、并行從模式，甚至于 JTAG模式。本文選擇并行從模式，原因在于更高的配置速率。

　　2、 FPGA程序數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

　　FGPA的程序加載即是要把好的程序文件按一定的時(shí)序?qū)懭隖PGA。而 的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以根據(jù)用戶的選擇產(chǎn)生多種文件格式，以不同的后綴名區(qū)分。不同的文件格式包含了不同的信息，有不同的用途。

　　本文選擇了.bin格式的文件。此文件是只包含有程序數(shù)據(jù)的二進(jìn)制文件。產(chǎn)生此文件，要在bitgen 參數(shù)里增加-g :yes 選項(xiàng)。

　　此外，需要說(shuō)明的是，通常的微處理器 D0位是最低有效位，而 的 FPGA在接收程序數(shù)據(jù)時(shí)，D0位是最高有效位。因此，在按字節(jié)讀取.bin格式的文件之后，需要有一個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。如從文件讀到一個(gè)字節(jié)，0x7D，即二進(jìn)制的 0111 1101，需轉(zhuǎn)換為：1011 1110。

　　加載過(guò)程開(kāi)始時(shí)，就要從.bin文件序按字節(jié)讀出數(shù)據(jù)，然后在 CCLK的上升沿寫(xiě)入 FPGA。在.bin文件中的數(shù)據(jù)都被寫(xiě)入 FPGA后，CCLK需要多出四個(gè)時(shí)鐘周期，以使得 FPGA完成啟動(dòng)過(guò)程。

　　3、硬件設(shè)計(jì)

　　在FPGA上，與配置有關(guān)的管腳分為兩類：專用管腳，包括_B，HSWAP_EN，TDI， TMS,，TCK，TDO，CCLK，DONE，和M0-M2。還有一類是可復(fù)用管腳，這類管腳在配置階段作為配置管腳，配置結(jié)束后可以配置為通用普通的IO管腳，也可以繼續(xù)作為配置管腳。在并行從模式下，涉及到的配置管腳和功能如下：

　　CS_B：片選信號(hào)，低有效； RDWR_B：寫(xiě)信號(hào)，低有效； BUSY：FPGA忙指示，高有效，一般只有在并行加載時(shí)鐘速率大于50M時(shí)才有可能用到；D0-D7：數(shù)據(jù)線； _B：芯片被復(fù)位后，此管腳為輸出信號(hào)，輸出低電平指示FPGA正在自行復(fù)位內(nèi)部

　　寄存器。復(fù)位結(jié)束后，此管腳浮空，處于輸入狀態(tài)。因此需要上拉電阻，指示復(fù)位結(jié)束。內(nèi)部寄存器復(fù)位結(jié)束后，此管腳若被拉低，則會(huì)推遲FPGA的程序加載過(guò)程。在程序加載過(guò)程中，此管腳又變回輸入狀態(tài)，對(duì)外輸出低電平指示加載的程序數(shù)據(jù)存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。

　　_B：異步復(fù)位信號(hào)，下降沿有效，此信號(hào)為低電平時(shí)復(fù)位FPGA，復(fù)位后，F(xiàn)PGA芯片處于內(nèi)部寄存器自行復(fù)位過(guò)程，_B被FPGA芯片拉低，此過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn)PGA不再驅(qū)動(dòng)_B管腳，INIT_B管腳處于浮空狀態(tài)，此時(shí)，INIT_B有上拉電阻時(shí)，INIT_B呈現(xiàn)高電平，依次可以指示FPGA的內(nèi)部寄存器自行復(fù)位結(jié)束。程序加載狀態(tài)。

　　DONE：加載成功指示。 CCLK：程序加載時(shí)，數(shù)據(jù)在此信號(hào)的上升沿被寫(xiě)入FPGA。在本設(shè)計(jì)中，ARM芯片采用的是 SUMSUN公司的，與 FPGA配置管腳相連的是此芯片的通用 IO管腳 D組。硬件連接如圖[1]所示。在 ARM的程序中，ARM管腳在程序加載的各階段的輸入輸出設(shè)置如下：首先，設(shè)置 GPD[10]（與 FPGA的 INIT_B相連）、GPD[11]（與 FPGA的 BUSY相連）為輸入管腳，以監(jiān)視 FPGA內(nèi)部寄存器自行復(fù)位結(jié)束和忙閑狀態(tài)。其次，設(shè)置GPD[12]（與 FPGA的 _B相連）為輸出狀態(tài)，并使其輸出低脈沖，使 FPGA復(fù)位。然后依次設(shè)置 GPD[8]（與 FPGA的 CS_B相連）、GPD[9]（與 FPGA的 RDWR_B相連）、GPD[14] （與 FPGA的 CCLK相連）為輸出管腳，并使其輸出低電平，使 FPGA處于被選可接受數(shù)據(jù)狀態(tài)；接著設(shè)置D[0..7]為輸出狀態(tài)。

　　至此，ARM中的程序開(kāi)始輪詢GPD[10]的狀態(tài)，檢測(cè)到此信號(hào)為高時(shí)，有兩種選擇，其一是因?yàn)樾枰七t FPGA的程序加載，可以通過(guò)設(shè)置 GPD[10]為輸出，并使其輸出為低電平直至程序加載開(kāi)始。其二是開(kāi)始給 FPGA加載程序，F(xiàn)PGA在 CCLK的上升沿接收數(shù)據(jù)，在給 FPGA加載程序的過(guò)程中，程序需要監(jiān)視GPD[10]管腳的狀態(tài)，一旦為低，F(xiàn)PGA指示程序數(shù)據(jù)加載 CRC校驗(yàn)出錯(cuò)。此時(shí)需要復(fù)位FPGA，重新加載.

　　4、嵌入式 的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

　　本文以模塊形式實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行于上的驅(qū)動(dòng)程序，源文件如下（有關(guān)寄存器

　　的設(shè)置參考的數(shù)據(jù)手冊(cè)，以下源代碼未包含頭文件）:

　　#define GPIO_va_ 0x0F6000000

　　//基于S3C2410 上的Linux內(nèi)核IO控制寄存器首地址映射后的虛擬地址

　　#define ARM_GPDCON PIO_va_+0x30);

　　#define ARM_GPDUP PIO_va_+0x38);

　　#define ARM__wr(addr,) *(volatile unsigned int*)(addr)=)

　　//定義輸出

　　#define FPGA_CS 8

　　#define FPGA_RW 9

　　#define FPGA_PROG 12

　　#define FPGA_CCLK 14

　　//定義操作

　　#define ARM_GPDDAT (*(volatile u32 *)(GPIO_va_base+0x34))

　　#define set_register_bit(x) ARM_GPDDAT=(1<<x)|ARM_GPDDAT

　　#define _register_bit(x) ARM_GPDDAT=(~(1<<x))&ARM_GPDDAT

　　//定義輸入

　　#define FPGA_INIT ((ARM_GPDDAT>>10)&1)

　　#define FPGA_BUSY ((ARM_GPDDAT>>11)&1)

　　#define FPGA_DONE ((ARM_GPDDAT>>13)&1)

　　#define FPGA 211

　　//定義主設(shè)備號(hào)，和mknod /dev/ c 211 0匹配

　　typedef __t;

　　static __t fpga_s[257];

　　 buf[1000000];

　　int fpga_(struct inode *, struct file *);

　　ssize_t fpga_write(struct file *, *,size_t ,loff_t *);

　　int fpga_(struct inode*, struct file *);

　　//初始化ARM的D組通用IO管腳

　　void _fpga(void){

　　ARM__wr(GPIO_va_base+0x30,0x55555555);

　　//FPGA_BUSY FPGA_DONE FPGA_INIT be set input

　　ARM__wr(GPIO_va_base+0x34,0xFFFF);

　　ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x30,0x51055555);

　　ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x38,0);// put up

　　set_register_bit(FPGA_CCLK);//set GCLK

　　}

　　static struct file_operations fpga_ctl_fops= {

　　: fpga_,

　　write: fpga_write,

　　: fpga_,};

　　int _(void) {

　　printk(",word,Now preparing FPGA......\n");

　　printk("register FPGA......\n");

　　register_chrdev(FPGA, "fpga", &fpga_ctl_fops);

　　printk("Done!\n");

　　printk(",word,success!\n");

　　 0;

　　}

　　int fpga_open(struct inode *inode, struct file *filp){

　　int minor;

　　minor = MINOR(inode->i_rdev);

　　_fpga();

　　fpga_[minor]++;

　　printk("FPGA is ready.\n");

　　 0;

　　}

　　ssize_t fpga_write(struct file *, char *buffer,size_t count,loff_t

　　*ppos){

　　int i;

　　if(__(buf,buffer,count)){

　　printk("error \n");

　　 -EFAULT;

　　}

　　printk("%d s have been received!\n",count);

　　printk("The is:%d\n",count);

　　for(i=0;i<count;i++){

　　ARM_GPDDAT=(ARM_GPDDAT&0x3F00)|buf[i];

　　set_register_bit(FPGA_CCLK);

　　}

　　printk("data write finished\n");

　　for(i=0;i<4;i++){

　　set_register_bit(FPGA_CCLK);

　　_register_bit(FPGA_CCLK);

　　}

　　return count;

　　}

　　int fpga_release(struct inode *inode, struct file *filp){

　　int minor;

　　minor = MINOR(inode->i_rdev);

　　if (fpga_[minor])

　　fpga_[minor]--;

　　printk("Goodbye cruel world\n");

　　return 0;

　　}

　　void cleanup_(void){

　　printk("Goodbye cruel world\n");

　　}

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)：基于ARM-Linux平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一種FPGA的程序加載模式，加載速度快，靈活高效。