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在FPGA的开发过程中如何实现在应用编程应用功能

2020年07月22日 16:41 次阅读

引言

FPGA中实现在应用编程(In Application Pro—gramming,IAP)有两种方法:一种是,在电路板上加外电路。例如用MCUCPLD来接收配置数据,在被动串行(PS)模式下由外电路编程FPGA或是编程Flash器件(包括EPCS和Flash),然后控制FPGA的配置复位引脚来复位整个FPGA,最后FPGA采用主串方式进行自我配置。另一种是,通过FPGA中的Nios CPU或是专用IP来接收编程数据,并编程Flash芯片,然后通过外部简单电路将FPGA复位启动,以主动串行(AS)模式进行配置。

为了减小电路板面积,节约成本,提高可靠性,本设计采用第二种方法。本设计的要求是:硬件电路须配置为主动串行模式,即选择MSEL[1:O]为l:O;具备EPCS,或同时具备EPCS和Flash;具有与PC机通信的功能。FPGA接收更新数据,并将其存入Flash器件,然后复位Nios或FPGA 对软硬件进行更新。

1、系统的硬件设计

统主要由Cyclone FPGA、EPCS、Flash和串行通信等组成,硬件结构如图1所示。

在FPGA的开发过程中如何实现在应用编程应用功能

EPCS采用Altera公司的EPCS4,容量达到4 Mb,引脚较少,成本低,支持3.3 V低电压操作。Flash芯片采用AMD公司的Am29LV640MH/L,支持3.O V低电压操作,具有低功耗特性,芯片容量为64 Mb,满足大容量数据的存储;并口操作,与Cyclone FPGA完全兼容,而且在SOPC中有与之对应的CFI_FLASH核,便于硬件电路的设计。

2、工作原理

2.1 几个概念

FPGA配置数据:是sof文件,将sof文件编程到Flash中,上电后FPGA可以从Flash中配置。sof文件是其他配置文件的基础,其他文件均可由sof文件转换得到。

软件数据:通过NiosII IDE创建elf文件,将用户程序编程到Flash中,允许复位后从F1ash中加载软件程序,从而启动NiosII CPU。

2.2 编程文件

编程文件为Flash格式的文件,即S—reeorld(简称“SREC”)格式。SREC格式是Motorola公司制定的一种烧写格式标准。SREC 格式文件是由一组ASCII码组成,所有的十六进制数据均为大写形式,结构说明如下:

①起始代码。以S作为一个数据行的开始。

②记录类型。1个十进制数字(O~9),定义数据域的类型。

③字节数。1个字节,定义字节数之后除地址字节、校验字节之外其他字节的个数。

④地址。由4(或6、8)个字节组成,定义了第一个数据字节存储的位置。

⑤数据字节。由n个字节组成,数据字节为实际有效的编程信息。

⑥校验字节。1个字节,作校验使用,所有十六进制字节相加后取8位,为0xFF。

2.3 AS配置模式

FPGA 的配置数据存储在内部SRAM单元中。由于SRAM掉电后数据会丢失,因此每次上电时必须重新将配置数据写入SRAM中。这个过程称为“FPGA的配置”。由此可见,FPGA的配置信息是存储在FPGA内部RAM当中的。可知在主动串行模式下,FPGA将配置数据从EPGS中读取,然后存入内部RAM 中。

AS配置模式支持StraTIxII和Cyclone系列的FPGA,通过配置MSEL[1:O]为1:0,选择主动配置模式(除JTAG模式不受 MSEL控制外,其他配置方式均由MSEL决定)。AS配置模式使用串行配置器件(EPCS1/EPCS4/EPCSl6/EPCS64)。在AS配置过程中,StraTIxlI和Cy—clone系列的FPGA是主设备,串行配置器件为从设备。如图2所示,在AS配置模式下,FPGA通过DATA0接收配置数据,配置数据和DCLK是同步的。每个时钟周期传输1位配置数据。通过控制nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE来表示配置过程。串行配置芯片在DCLK上升沿时锁存输入信号和控制信号,在下降沿时输出配置数据。Cyclone芯片在DCLK下降沿时输出控制信号,并锁存配置数据。

3、工作流程

3.1 硬件配置的更新

如图3所示,FPGA的配置过程分为:复位、配置和初始化。

(1)复位FPGA

上电复位:在用户模式下,当nCONFIG引脚持续低电平40μs时,FPGA将进入复位状态。复位时,FP—GA采样MSEL引脚的电平值,以确定采用的配置方式;同时,nSTATUS和CONF_DONE引脚由FPGA置为低电平,所有I/0引脚为三态且FPGA内部配置寄存器被清空。

FPGA复位的2种方法:

①外加RC复位电路或者复位芯片,自动产生上电复位脉冲。

②参考芯片手册。如果芯片提供了上电复位脉冲(一般是全局复位信号),则使用它作为复位信号;若没有提供,则查找芯片是否给出了寄存单元上电默认值(一般是O),利用该特性复位或者产生复位脉冲。

(2)配置FPGA

复位后,nCONFIG被外部上拉电阻拉高,进入配置阶段。此时,nSTATUS被FPGA释放并由外部上拉电阻拉为高电平后进入配置状态。 Cyclone芯片通过将nCSO输出的信号置低来使能串行配置芯片,nCS0引脚连接配置芯片的片选段(nCS),用串行时钟(DCLK)和串行数据输出(ASDO)引脚来发送操作指令,及/或将地址信号读到串行配置芯片中。接着配置芯片将数据送到串行数据输出(DATA)引脚,DATA引脚连接 Cyclone芯片的DATA0输入脚。配置数据在DCLK时钟的上升沿载入FPGA。当接收完所有的配置位后(CRC校验无误),Cyclone芯片悬空CONF_DONE引脚,该引脚由外部10 kΩ电阻拉高;同时,停止驱动DCLK信号。只有当CONF_DONE到达一定的逻辑高电平后,初始化才开始。

(3)初始化阶段

在Cyclone芯片中,初始时钟源是Cyclone芯片的lOMHz(典型的)内部晶振,或者是可供选择的CLKUSR引脚。内部晶振是默认的初始化时钟源。如果用了内部时钟,则Cyclone芯片为正确的初始化提供足够的时钟。使用内部时钟的好处在于,初始化时不需要从外部发送其他的时钟到 CLKUSR引脚,而且可以把CLKUSR引脚当作I/O引脚。

(4)用户模式

初始化结束后,FPGA进入用户模式。在用户模式下,用户I/O引脚不再有弱上拉电阻,而是执行设计中分配的功能。Cyclone芯片可以通过将 nCONFIG拉低而开始重新配置。nCONFIG低信号应该至少持续40μs。当nCONFIG被拉低时,Cyclone芯片被复位并进入复位阶段。 Cyclone芯片也会把nSTATUS和CONF_DONE拉低,所有的I/O引脚处于三态。一旦nCONFIG回到逻辑高电平,Cyclone芯片将释放nSTATUS,重新开始配置。

(5)配置时出现的错误

如果在配置时出现错误,则Cyclone芯片将nSTA—TUS信号置低来表明一个数据帧错误,CONF_DONE信号为低。如果在Quartus软件的 Device&Pin OpTIons窗口的General项中,选中Auto—restart configuraTIon aftererror选项,则Cyclone芯片通过激活nCSO来实现复位,在复位失效时间(40μs)后释放nSTATUS,并再次尝试配置。如果该选项未被选中,则外部系统必须监视nSTA—TUS信号以防出错,然后将nCONFIG信号拉低并持续至少40μs来重新配置。

计算机与目标板上的Nios程序建立连接,通过通信接口将Flash文件传输给FPGA;Nios程序判断出传输文件的针对目标后,将编程数据存放在 EPCS或Flash中。接收到的数据首先暂存入SDRAM,而不是直接对EPCS和Flash进行操作。这样做的好处是,一旦传输失败或中止,不会破坏原有EPCS和Flash中的数据。

通过sof2Flash命令来生成Flash文件时,可以通过SOPC Builder打开NioslI command shell,使用“sof2 Flash—epcs-input=《输入文件名.sof》一output=《输出文件名.Flash》”命令,生成的 Flash文件存在于工程目录下。也可以将sof文件复制到“〈quartus安装目录〉\kits\nios2_60\examples”下,直接打开 NiosII command shell,使用“sof2Flash-epcs—input=《输入文件名.sof》一output=《输出文件名.Flash& gt;”,生成的Flash文件存在于“〈quartus安装目录〉\kits\nios2_60\examples”下。

3.2 软件程序的更新

如前所述,软件程序既可以存放在Flash中,也可以存放在EPCS中。生成软件Flash文件的最简单的方式是,在NiosII IDE环境下对系统进行编译,生成的Flash文件存在于“《目标工程》\software\debug\《软件工程》\Debug\obj\”目录下。

Nios程序可以存放在Flash中,在SDRAM或On—chip RAM(以下统称“RAM”)中运行。这种情况需要有一个专门的Bootloader,该文件存在于“ quartus安装目录》\kits\nios2_60\components\altera_nios2”目录下,名称为 “boot_loader_cfi.srec”。它把存放在Flash中的各个程序段搬到程序执行时各个段真正的位置。

如图4所示,Bootloader代码位于Flash的低地址处,NiosII就被逻辑中的复位电路复位,从reset地址处开始执行代码。如果 reset地址设置在Flash中,那么复位后首先运行Flash前面的Bootloader代码,由Bootloader代码将后面的用户程序引导到指定位置。执行elf2Flash应用程序在elf文件前会插入一个引导复制(Boot—copier)程序,前提是,elf将被链接到RAM中运行。

Bootloader的工作流程如图5所示。

NiosII C程序在运行之前需要做一些初始化工作。如果程序直接从Flash中运行,则Crt0.S是最先执行的代码;如果程序不是直接从Flash中运行,则 Crt0.S是执行完Bootloader后最开始执行的代码。

运行完Bootloader后仍然要执行CrtO.s,但此时Crt0.s的流程和程序在Flash中直接运行的情况有一些区别:它没有初始化指令 Cache,也不会企图去装载别的段,这些步骤已经在Boot—loader中完成。程序映像已经包含这些段,在搬移程序映像的同时也装载了相应的段 (.rodata段,.rwdata段和.exceptions段)。程序映像中不包含.bss段和栈,所以仍然需要清.bss段,以及设置栈指针sp和全局指针gp。Bootloader没有读写存储器数据,因此没有初始化数据Cache,所以Crt0.S仍然要初始化数据Cache。如图6所示,当 Bootloader读取到L时,L=0表示前面所有的程序记录已经处理完毕,这是最后的程序记录,所以就直接跳到地址A的地方执行。显然A必须是程序的入口地址。如果L=Oxffffffff(即一1),那么就忽略A并停机,这样,即使是一个只有FPGA配置数据而没有程序的EPCS也是安全的。当一个 EPCS只有配置数据而没有程序时,sof2Flash会在配置数据的末尾增加4个字节的Oxff,使Bootloader不会有误动作。 Bootloader的工作流程与Flash中相同,如图5所示。

4、软件编程

Altera公司提供给客户两种类型的函数:SimpleFlash Access(简单的Flash访问),以及Fine—GrainedFlash Access(细粒度Flash访问)。本文使用Fine—Grained Flash Access函数,虽然比Simple Flash Access复杂一些,但可以避免通常的跨块擦除问题。因为Flash是按照块(Block)组织起来的,通常一次擦除一整个块。如果写Flash的地址与Flash块的组织结构不吻合,比如跨越了Flash块的边缘,那么可能会擦除掉其余的数据。在使用Flash的读写函数时,头文件中要包含 “sys/alt_Flash.h”和“sys/alt_Flash_dev.h”,这两个头文件提供了访问Flash器件的驱动接口。

使用之前要打开Flash。打开Flash,就像C程序打开硬盘中的数据文件一样。这里使用alt_Flash_open_dev()打开Flash,它返回一个句柄。例如:

其中,fd是alt_Flash_open_dev()返回的句柄;offset是相对Flash基地址的偏移量,是读操作中要读出数据第一个字节的地址;length是本次操作的数据长度,单位是字节。当返回值为时,表示读操作成功。

其中,fd是a1t_Flash_open_dev()返回的句柄;offset是相对Flash基地址的偏移量,是写操作中要写入的数据第一个字节的地址;length是本次操作的数据长度,单位是字节。当返回值为 O时,表示写操作成功。

使用完后别忘记关闭该Flash,就像读写完硬盘中的数据文件后要关闭一样。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。

编者注:Flash器件读写程序略。

结语

目前,在FPGA的开发过程中,每次进行程序的调试和更新时都需要将产品与计算机直连,进行在线操作,这样就限制了程序调试和更新的空间范围。而基于 FPGA的在应用编程技术就是为了打破这种限制而设计的。在应用编程技术对硬件要求极低,只要满足FPGA是Cy—clone系列,具有Flash器件,具有上下位机的通信能力,无需增加太多的硬件资源,都可以实现在应用编程。如果产品具有网络功能或无线功能,那么在恶劣的工业现场和野外可以免除到现场反复拆卸、调试的麻烦。对于保密产品,该项技术可以保护知识产权,通过网络更新产品的软硬件,增加了更新过程中被破解的难度。

责任编辑:gt

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许多设备需要使用能产生高性能、高分辩率信号的低频信号发生器。本实例提供一种能产生0~1MHz频率的电....
发表于 2020-07-21 09:52 137次阅读
基于ADμC381和AD9834实现低频信号发生...

高效D类音频放大器MAX9700/12的工作原理...

MAX9700/MAX9712是MAXIM公司推出的两款单声道D类音频功率放大器,MAX9712能够....
发表于 2020-07-21 09:34 84次阅读
高效D类音频放大器MAX9700/12的工作原理...

基于DDS芯片AD9852和单片机实现短波通信跳...

DDS是一种直接对参考时钟进行抽样、数字化,然后用数字计算技术产生频率的频率合成方法。它的工作原理是....
发表于 2020-07-21 09:21 34次阅读
基于DDS芯片AD9852和单片机实现短波通信跳...

如何使用fpga来控制ov5642相机?

嗨,我正在使用fpga来控制ov5642相机。 我已经设法通过i2c协议访问寄存器并设置它们的一些值:寄存器值0x3017 0x7f0x...
发表于 2020-07-21 06:52 0次阅读
如何使用fpga来控制ov5642相机?

基于DSP芯片TigerSHARCTS201S实...

  空时编码(Space—Time Block Coding,STBC)是达到或接近MIMO无线信道....
发表于 2020-07-20 21:10 156次阅读
基于DSP芯片TigerSHARCTS201S实...

Core I2C的原理及采用FPGA技术实现I2...

I2C(Inter Integrated Circuit)双向二线制串行总线,是由飞利浦公司制定的。....
发表于 2020-07-20 18:08 63次阅读
Core I2C的原理及采用FPGA技术实现I2...

使用FPGA芯片系统可大幅降低使用网络搜索的碳排...

英国格拉斯哥大学称,该校科学家通过使用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片系统,能够以高出目前标准处....
发表于 2020-07-20 18:04 120次阅读
使用FPGA芯片系统可大幅降低使用网络搜索的碳排...

CorePWM的原理及采用FPGA技术实现PWM...

脉冲宽度调制(PWM) 是英文“Pluse Width Modulation”的缩写,简称脉宽调制。....
发表于 2020-07-20 17:59 82次阅读
CorePWM的原理及采用FPGA技术实现PWM...

可实现满足电源预算要求的FPGA设计

随着便携和以电池供电的应用快速增加,低功耗设计已成为延长电池寿命所不可或缺的任务。此外,在决定产品尺....
发表于 2020-07-20 17:53 159次阅读
可实现满足电源预算要求的FPGA设计

分析我国物联网产业在发展过程中存在的优势与不足

  同时也要看到我国物联网产业发展仍然存在一些不足。一是在工业领域发展较慢。相比于消费领域,工业领域....
发表于 2020-07-20 15:59 212次阅读
分析我国物联网产业在发展过程中存在的优势与不足

我国自研的5G毫米波芯片,将开启5G商用发展的新...

据了解,毫米波和Sub-6G的区别,主要在各自覆盖的频谱不同。Sub-6G是放在6GHz以下的电磁(....
发表于 2020-07-20 14:14 155次阅读
我国自研的5G毫米波芯片,将开启5G商用发展的新...

哪里可以找到未编程V7的用户I / O引脚的电气描述?

你好, 在哪里可以找到未编程V7的用户I / O引脚的电气描述(交流阻抗,直流电流)? (我想这个问题也可以扩展到...
发表于 2020-07-20 10:28 0次阅读
哪里可以找到未编程V7的用户I / O引脚的电气描述?

如何通过板本身实现DPR?

喜: 现在,我正在设计7系列FPGA的DPR(动态部分重配置),我已经在shell中使用Tcl命令完成了DPR,并生成...
发表于 2020-07-20 08:01 0次阅读
如何通过板本身实现DPR?