一种基于ARM-Linux的FPGA程序加载方法

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                    　　摘要：本文实现了一种基于 ARM-Linux的 FPGA程序加载方法，详细讨论了加载过程中各个阶段程序对配置管脚的操作，给出了硬件实现，编写了运行于 ARM处理器的嵌入式 Linux上的驱动程序。
　　1、引言
　　FPGA在系统上电时，需要从外部载入所要运行的程序，此过程被称为程序加载。多数情况下，FPGA从外部专用的 EPROM读入程序。这种方式速度慢，而且只能加载固定的程序。显然，当系统需要容量大而且 FPGA要加载的程序可以根据需要有选择的加载时不能采用这种方法。本文实现了一种基于外部处理器的加载方法，速度快，而且可以根据设置给FPGA加载相应的程序。
　　对于 Xilinx公司的 FPGA芯片，有五种加载方式：JTAG模式，串行从模式，串行主模式，并行从模式和并行主模式。JTAG模式常用于调试时，将主机综合好的程序加载到FPGA，优先级高于其他几种模式。其他加载模式取决于 FPGA上加载模式管脚（M0，M1，M2）的设置。
　　用外部处理器给 FPGA加载程序时，可以采用串行从模式、并行从模式，甚至于 JTAG模式。本文选择并行从模式，原因在于更高的配置速率。

　　2、 FPGA程序数据的产生
　　FGPA的程序加载即是要把综合好的程序文件按一定的时序写入FPGA。而 Xilinx的开发环境可以根据用户的选择产生多种文件格式，以不同的后缀名区分。不同的文件格式包含了不同的信息，有不同的用途。
　　本文选择了.bin格式的文件。此文件是只包含有程序数据的二进制文件。产生此文件，要在bitgen 参数里增加-g Binary:yes 选项。
　　此外，需要说明的是，通常的微处理器 D0位是最低有效位，而 Xilinx的 FPGA在接收程序数据时，D0位是最高有效位。因此，在按字节读取.bin格式的文件之后，需要有一个转换的过程。如从文件读到一个字节，0x7D，即二进制的 0111 1101，需转换为：1011 1110。
　　加载过程开始时，就要从.bin文件中顺序按字节读出数据，然后在 CCLK的上升沿写入 FPGA。在.bin文件中的数据都被写入 FPGA后，CCLK需要多出四个时钟周期，以使得 FPGA完成启动过程。

　　3、硬件设计
　　在FPGA上，与配置有关的管脚分为两类：专用管脚，包括PROG_B，HSWAP_EN，TDI， TMS,，TCK，TDO，CCLK，DONE，和M0-M2。还有一类是可复用管脚，这类管脚在配置阶段作为配置管脚，配置结束后可以配置为通用普通的IO管脚，也可以继续作为配置管脚。在并行从模式下，涉及到的配置管脚和功能如下：
　　CS_B：片选信号，低有效； RDWR_B：写信号，低有效； BUSY：FPGA忙指示，高有效，一般只有在并行加载时钟速率大于50M时才有可能用到；D0-D7：数据线； INIT_B：芯片被复位后，此管脚为输出信号，输出低电平指示FPGA正在自行复位内部
　　寄存器。复位结束后，此管脚浮空，处于输入状态。因此需要上拉电阻，指示复位结束。内部寄存器复位结束后，此管脚若被拉低，则会推迟FPGA的程序加载过程。在程序加载过程中，此管脚又变回输入状态，对外输出低电平指示加载的程序数据存在CRC校验错误。
　　PROG_B：异步复位信号，下降沿有效，此信号为低电平时复位FPGA，复位后，FPGA芯片处于内部寄存器自行复位过程，INIT_B被FPGA芯片拉低，此过程结束后，FPGA不再驱动INIT_B管脚，INIT_B管脚处于浮空状态，此时，INIT_B有上拉电阻时，INIT_B呈现高电平，依次可以指示FPGA的内部寄存器自行复位结束。程序加载状态。
　　DONE：加载成功指示。 CCLK：程序加载时，数据在此信号的上升沿被写入FPGA。在本设计中，ARM芯片采用的是 SUMSUN公司的S3C2410，与 FPGA配置管脚相连的是此芯片的通用 IO管脚 D组。硬件连接如图[1]所示。在 ARM的程序中，ARM管脚在程序加载的各阶段的输入输出设置如下：首先，设置 GPD[10]（与 FPGA的 INIT_B相连）、GPD[11]（与 FPGA的 BUSY相连）为输入管脚，以监视 FPGA内部寄存器自行复位结束和忙闲状态。其次，设置GPD[12]（与 FPGA的 PROG_B相连）为输出状态，并使其输出低脉冲，使 FPGA复位。然后依次设置 GPD[8]（与 FPGA的 CS_B相连）、GPD[9]（与 FPGA的 RDWR_B相连）、GPD[14] （与 FPGA的 CCLK相连）为输出管脚，并使其输出低电平，使 FPGA处于被选可接受数据状态；接着设置D[0..7]为输出状态。

　　至此，ARM中的程序开始轮询GPD[10]的状态，检测到此信号为高时，有两种选择，其一是因为需要而推迟 FPGA的程序加载，可以通过设置 GPD[10]为输出，并使其输出为低电平直至程序加载开始。其二是开始给 FPGA加载程序，FPGA在 CCLK的上升沿接收数据，在给 FPGA加载程序的过程中，程序需要监视GPD[10]管脚的状态，一旦为低，FPGA指示程序数据加载 CRC校验出错。此时需要复位FPGA，重新加载.
　　采用的硬件连接如下图：






　　4、嵌入式 Linux的驱动实现
　　本文以模块形式实现了运行于S3C2410上的linux驱动程序，源文件如下（有关寄存器
　　的设置参考S3C2410的数据手册，以下源代码未包含头文件）:
　　#define GPIO_va_base 0x0F6000000
　　//基于S3C2410 上的Linux内核IO控制寄存器首地址映射后的虚拟地址
　　#define ARM_GPDCON PIO_va_base+0x30);
　　#define ARM_GPDUP PIO_va_base+0x38);
　　#define ARM_port_wr(addr,value) *(volatile unsigned int*)(addr)=value)
　　//定义输出
　　#define FPGA_CS 8
　　#define FPGA_RW 9
　　#define FPGA_PROG 12
　　#define FPGA_CCLK 14
　　//定义操作
　　#define ARM_GPDDAT (*(volatile u32 *)(GPIO_va_base+0x34))
　　#define set_register_bit(x) ARM_GPDDAT=(1>10)&1)
　　#define FPGA_BUSY ((ARM_GPDDAT>>11)&1)
　　#define FPGA_DONE ((ARM_GPDDAT>>13)&1)
　　#define FPGA 211
　　//定义主设备号，和mknod /dev/fpga c 211 0匹配
　　typedef char fpga_device_t;
　　static fpga_device_t fpga_devices[257];
　　char buf[1000000];
　　int fpga_open(struct inode *, struct file *);
　　ssize_t fpga_write(struct file *,const char *,size_t ,loff_t *);
　　int fpga_release(struct inode*, struct file *);
　　//初始化ARM的D组通用IO管脚
　　void init_fpga(void){
　　ARM_port_wr(GPIO_va_base+0x30,0x55555555);
　　//FPGA_BUSY FPGA_DONE FPGA_INIT be set input
　　ARM_port_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= {
　　open: fpga_open,
　　write: fpga_write,
　　release: fpga_release,};
　　int init_module(void) {
　　printk("Hello,word,Now preparing FPGA......\n");
　　printk("register FPGA......\n");
　　register_chrdev(FPGA, "fpga", &fpga_ctl_fops);
　　printk("Done!\n");
　　printk("Hello,word,success!\n");
　　return 0;
　　}
　　int fpga_open(struct inode *inode, struct file *filp){
　　int minor;
　　minor = MINOR(inode->i_rdev);
　　init_fpga();
　　fpga_devices[minor]++;
　　printk("FPGA is ready.\n");
　　return 0;
　　}
　　ssize_t fpga_write(struct file *flip,const char *buffer,size_t count,loff_t
　　*ppos){
　　int i;
　　if(copy_from_user(buf,buffer,count)){
　　printk("error \n");
　　return -EFAULT;
　　}
　　printk("%d numbers have been received!\n",count);
　　printk("The number is:%d\n",count);
　　for(i=0;ii_rdev);
　　if (fpga_devices[minor])
　　fpga_devices[minor]--;
　　printk("Goodbye cruel world\n");
　　return 0;
　　}
　　void cleanup_module(void){
　　printk("Goodbye cruel world\n");
　　}
　　5、结束语
　　本文的创新点：基于ARM-Linux平台，实现了一种FPGA的程序加载模式，加载速度快，灵活高效。