解決SoC FPGA設計難題

主要FPGA供應商已經(jīng)開(kāi)始銷(xiāo)售集成了硬核處理器內核的低成本FPGA器件，SoC類(lèi)FPGA器件最終會(huì )成為主流。為能夠充分發(fā)揮所有重要FPGA的靈活性，這些器件提供了FPGA設計人員和軟件工程師還不熟悉的新特性。設計人員需要考慮怎樣在FPGA和處理器之間初始化這些資源并進(jìn)行分配，管理復雜的連接，以及處理器外設的各種設置。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/189779.htm

I/O限制

您可能會(huì )說(shuō)，“I/O有什么問(wèn)題？FPGA有很多I/O!”然而，FPGA現在采用了功能強大的雙核Cortex-A9處理器，需要高性能存儲器系統。如果您不需要處理器，您不用購買(mǎi)器件，因此，連接DDR2/3存儲器來(lái)提高性能是最重要的。這需要72個(gè)專(zhuān)用引腳。這里不僅有功能強大的處理器，而且還有多種有用的標準外設(例如USB、以太網(wǎng)等)—這就需要更多的引腳。增加一系列電源和地引腳以實(shí)現良好的信號完整性，這會(huì )使得以前足夠用的BGA引腳開(kāi)始顯得捉襟見(jiàn)肘。對于硬件外設，好在這些器件具有復用功能，因此，您可以簡(jiǎn)單地選擇并引出您需要的外設。

引腳配置

對FPGA器件進(jìn)行編程的比特流含有怎樣配置I/O引腳的信息。實(shí)際上，SoC FPGA器件的工作方式相似，但是有兩種不同的引腳配置過(guò)程—一種用于FPGA I/O，一種用于處理器專(zhuān)用I/O(這也包括配置硬件外設復用、I/O引腳和DDR控制器設置)，如圖1。之所以需要DDR控制器設置，是因為需要為某些器件和電路板布局調整高性能存儲器控制器，以實(shí)現最優(yōu)存儲器性能。在FPGA硬件開(kāi)發(fā)工具中進(jìn)行處理器專(zhuān)用I/O和存儲器控制器設置，其方式與FPGA引腳相似。如果您不對FPGA進(jìn)行編程，所有這些配置數據是怎樣進(jìn)入器件中的呢?

圖1，Altera SoC FPGA系統，顯示了專(zhuān)用處理器和FPGA I/O引腳(右側)

處理器啟動(dòng)

低成本微控制器簡(jiǎn)化了從片內ROM的啟動(dòng)，而高端處理器從外部ROM(例如x86 BIOS)啟動(dòng)，然后，裝入第二個(gè)啟動(dòng)加載程序。與微控制器相似，SoC FPGA器件有硬線(xiàn)片內啟動(dòng)ROM，含有啟動(dòng)處理器的啟動(dòng)代碼，但是這些代碼也配置I/O引腳，這些引腳用于從FPGA、閃存或者SD卡中讀取數據。這樣，系統將第二個(gè)啟動(dòng)加載程序鏡像裝入片內RAM。

第二個(gè)啟動(dòng)加載程序二進(jìn)制代碼和專(zhuān)用I/O引腳配置設置內置在一個(gè)鏡像文件中，這一鏡像也含有FPGA配置數據、處理器軟件(操作系統(OS)啟動(dòng)加載程序、OS以及應用軟件)。這一鏡像文件存儲在介質(zhì)中，成為處理器的啟動(dòng)源。當處理器從片內ROM啟動(dòng)時(shí)，它讀取外部引腳的狀態(tài)，選擇啟動(dòng)源，將第二個(gè)啟動(dòng)加載程序裝入片內RAM，然后運行它。這些代碼設置處理器，配置外部存儲器控制器和專(zhuān)用外設I/O引腳，允許用戶(hù)應用程序代碼(可以是OS的啟動(dòng)加載程序)從啟動(dòng)源裝入到DDR存儲器中。在這一階段，配置處理器和所有處理器專(zhuān)用I/O—因此，OS啟動(dòng)加載程序(例如U-Boot)甚至可以通過(guò)外設(例如通過(guò)以太網(wǎng))來(lái)裝入OS二進(jìn)制代碼。

圖2，典型的SoC FPGA啟動(dòng)過(guò)程

軟外設

最后，我們有經(jīng)過(guò)全面配置的芯片，可以啟動(dòng)OS或者應用程序—而有可能還沒(méi)有配置FPGA。OS/應用程序一般會(huì )在啟動(dòng)時(shí)初始化所有外設，但是在這一例子中，可能還沒(méi)有外設！一種簡(jiǎn)單的方法是，在出現這種情況之前對FPGA進(jìn)行配置，但是，如果您需要軟件從一組不同的配置中進(jìn)行選擇，會(huì )怎樣呢？您甚至可能希望隨時(shí)重新配置FPGA，改變外設。

開(kāi)發(fā)基于FPGA的外設系統相對簡(jiǎn)單，FPGA供應商提供IP庫以及基于GUI的設計工具，使您很容易連接外設IP和硬核處理器。對此，設計流程與使用Nios II處理器等軟核CPU的流程完全相同。一般不能修改硬核處理器系統的特性，您需要做的是在基于GUI的工具中配置專(zhuān)用引腳復用功能，連接外設IP。

FPGA設計工具以頭文件的形式實(shí)現了軟件開(kāi)發(fā)工具鏈的所有硬件相關(guān)數據(基本地址等)，這一頭文件可以用于生成預構建應用程序，從而匹配每一FPGA配置和外設。但是，如果您使用OS，這可能帶來(lái)問(wèn)題，理想情況下，您需要外設驅動(dòng)軟件應用程序。

好在大部分OS支持動(dòng)態(tài)驅動(dòng)裝入和卸載，因此，可以讀取外設，讓OS裝入相應的驅動(dòng)。如果您重新配置FPGA，只需要卸載驅動(dòng)，然后重新裝入含有新配置的驅動(dòng)。這看起來(lái)是一項很難的工作，但是，大部分OS支持這樣做，Linux甚至提供一種名為器件樹(shù)的功能，實(shí)際專(zhuān)門(mén)用于在Linux文件系統中存儲外設相關(guān)數據。每一FPGA配置會(huì )有一個(gè)匹配器件樹(shù)文件，因此，對于Linux，您需要做的是，裝入正確的器件樹(shù)，Linux就會(huì )裝入正確的驅動(dòng)。圖2是一個(gè)典型的SoC FPGA啟動(dòng)過(guò)程。

結論

由于處理器和FPGA緊密集成到一個(gè)器件中，與標準FPGA相比，開(kāi)發(fā)這些新器件會(huì )稍微復雜一些，而SoCFPGA器件供應商提供支持工具流和機制，管理所需的功能要相對簡(jiǎn)單—即使您以前從未使用過(guò)FPGA中的處理器。