基于SD卡的Virtex FPGA 配置方案

1．引言

　　由于 FPGA 良好的可編程性和優(yōu)越的性能表現，當前采用FPGA 芯片的嵌入式系統數 量呈現迅速增加的趨勢，特別是在需要進(jìn)行大規模運算的通信領(lǐng)域。目前FPGA 配置數據一 般使用基于SRAM 的存儲方式，掉電后數據消失，每次上電后都要重新寫(xiě)入。配置數據的 寫(xiě)入方式有3 種，即使用JTAG 仿真器、使用專(zhuān)用芯片以及使用微處理器。JTAG 仿真器的 方式在調試的時(shí)候使用較多，能隨時(shí)修改，但缺點(diǎn)是FPGA 芯片必須與電腦主機連接，失去 了靈活性。使用專(zhuān)用芯片的方式可以將配置數據事先存儲在非易失性存儲介質(zhì)中，為大規模 升級提供了方便，但不利之處在于專(zhuān)用芯片往往價(jià)格較高，并且也必須采用特定的存儲介質(zhì)， 提升了系統成本，而且沒(méi)有利用到板上的現有資源，需要為配置芯片設置出專(zhuān)用的空間，占 用了電路板上的空間資源。而第三種方式可以利用當前嵌入式系統中一般都存在的微處理 器，同時(shí)也可以自行選擇合適的存儲介質(zhì)。下面就這種配置方案進(jìn)行說(shuō)明。

　　2. 系統介紹

　　2.1 系統工作原理

　　本配置方案中使用的微控制器是Philips 公司生產(chǎn)的ARM7 處理器LPC2468。FPGA 則 是Xilinx 公司的Virtex SX95T。存儲配置數據的介質(zhì)是成本較低而且使用廣泛的SD 卡。

　　系統的工作原理是上電時(shí)微控制器LPC2468 從SD 卡中讀取FPGA 的配置文件，然后 通過(guò)其通用IO 管腳模擬FPGA 的某種配置模式的時(shí)序，將配置文件寫(xiě)入到FPGA 的配置 RAM 中。Virtex 系列FPGA 有幾種不同的配置模式，每種配置模式使用到的管腳以及配置 信號的時(shí)序都是不同的， 因此對配置模式需要作出合適的選擇。

　　2.2 Viretex 系列FPGA 的配置模式

　　Viretex 系列FPGA 的配置模式是由上電時(shí)其專(zhuān)用配置管腳的狀態(tài)決定的，對應的關(guān)系 如下表所示：

　　因在系統中使用微處理器作為主控制器，因此FPGA 的模式需選擇Slave 方式，所以有 2 種模式可以選擇，即Slave SelectMap 和Slave Serial。這2 種模式的區別在與數據管腳的數 目不同，Slave Serial 模式只有1 個(gè)管腳用于數據傳輸，屬于串行傳輸，而Slave SelectMap 模式有8 個(gè)管腳用于數據傳輸，屬于并行傳輸。這2 種模式可以任意選擇，本文選擇的是 Slave SelectMap 模式。

　　2.3 Slave SelectMap 配置模式

　　Slave SelectMap 配置模式在管腳信號功能、配置流程、配置數據等方面有自己的特點(diǎn)， 在進(jìn)行電路板設計以及程序編寫(xiě)時(shí)需要注意。下面對其主要特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

　　2.3.1 Slave SelectMap 模式使用的管腳信號：

　　SelectMap 模式下使用的FPGA 管腳為：

　　根據上表，可以將微控制器的通用IO 管腳與上述FPGA 管腳連接起來(lái)，連接電路圖如圖1 所示：

　　2.3.2 Slave SelectMap 模式的配置流程

　　Slave SelectMap 模式下提供時(shí)鐘的是外部器件，本方案中的時(shí)鐘信號是CCLK 使用 ARM 芯片的通用IO 進(jìn)行模擬。同時(shí)，該模式下數據管腳有8 個(gè)，因此在每個(gè)CCLK 的上 升沿，FPGA 可以讀入1 個(gè)字節的數據。需要注意的是這1 字節的最高位是D0，而不是一 般微處理器默認的D7，在電路板布線(xiàn)和編寫(xiě)配置程序時(shí)應給予相應改變。

　　配置過(guò)程的具體流程如圖2 所示。

　　接收完配置數據后，DONE 管腳會(huì )被拉高。但這并不是表示配置過(guò)程已經(jīng)結束，系統仍 需要時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行后續的上電啟動(dòng)工作。為保證上電配置過(guò)程的正確進(jìn)行，最好的辦法是將配 置文件中的所有數據寫(xiě)入FPGA 中之后，然后繼續輸出CCLK 信號，直到DONE 管腳被拉 高。之后，再輸出8 個(gè)周期的CCLK，保證配置能正常完成。

　　根據上述流程，配置程序的主要函數的偽碼如下。

　　1.初始化函數SelectMAP_Init，在其它函數之前運行。

　　SelectMAP_Init（）{

　　將ARM 通用IO 設置為對應的SelectMap 管腳信號；

　　設置 PROGRAM#，CS#和WRITE#管腳為低電平；

　　延時(shí)至少300ns；

　　設置 PROGRAM#為高電平；

　　循環(huán)檢查INIT#是否變?yōu)楦唠娖剑?/p>

　　}

　　2.發(fā)送數據的函數SendData_Byte，發(fā)送1 字節的數據。

　　SendData（uint8 data）{

　　拉低CCLK；

　　將 D0~D7 電平設置為與data 對應的狀態(tài)；

　　拉高 CCLK；

　　}

　　3.發(fā)送數據的函數SendData_Sector，發(fā)送SD 卡中1 個(gè)扇區的數據。

　　void SendData_Sector（uint8 * data）{

　　聲明計數器，并將初始值設為0；

　　調用 SendData_Byte 發(fā)送1 個(gè)字節的數據，計數器加1；

　　檢查 BUSY 管腳的狀態(tài)，等待其變?yōu)榈碗娖剑?/p>

　　檢查計數器是否到達規定的數據塊大小，達到時(shí)函數返回，未到達時(shí)繼續發(fā)送數據；

　　}

　　2.3.3 配置文件的格式

　　FPGA 支持將配置文件生成為幾種不同的格式，但在本方案中不是所有格式都可以使用 的。一般最常用的格式是.BIN 和.BIT 格式。由于.BIT 格式包含頭部開(kāi)銷(xiāo)，會(huì )增加額外的處 理過(guò)程，因此本方案沒(méi)有支持.BIT 格式的數據，僅推薦使用.BIN 格式。

　　2.4 文件在SD 卡中的存儲

　　發(fā)送數據前，需要先從SD 卡中讀取配置文件。所有文件在SD 卡中都是按照一定的格式來(lái)組織的，本方案默認文件采用FAT16 格式進(jìn)行存儲。FAT16 格式下，SD 卡的結構如下圖所示［3］。

　　主引導記錄中最重要的參數是邏輯扇區的起始地址。獲得該參數后即可以讀取BIOS 參 數數據塊（BPB）。BPB 中存儲了扇區（Sector）、簇（Cluster）、文件分配表（FAT）的 大小，以及分區總扇區數等參數，是文件進(jìn)行操作時(shí)必不可少的。文件分配表則是指明了文 件存儲的位置，這些位置是以簇為單位的。每個(gè)簇包含的扇區數目在BPB 中說(shuō)明。根文件 夾中存儲了各不同文件的文件名和起始簇以及文件大小等信息。

　　2.5 配置文件的讀取和發(fā)送

　　根據上述SD 卡存儲格式的說(shuō)明，可以對存儲在其中的配置數據進(jìn)行讀取并發(fā)送出去。在本方案中，數據的讀取和發(fā)送是同時(shí)進(jìn)行的。

　　在對 SD 卡進(jìn)行讀取時(shí)，首先需要讀取主引導記錄（MBR），獲得邏輯扇區的位置，然 后根據該位置讀取BIOS 參數數據塊（BPB），得到文件分配表（FAT）的位置以及扇區大 小等參數。在讀取文件分配表之前，需要先讀取根文件夾來(lái)獲得文件的起始位置，然后再 通過(guò)文件分配表獲得后續數據的位置。

　　得到文件的起始簇號之后，在文件分配表中讀取對應該起始簇的字節，獲得文件存儲的 下一個(gè)簇的簇號，這樣可以連續的進(jìn)行讀取。在讀取一個(gè)簇后，即將整簇的數據發(fā)送出去。 如果發(fā)現文件分配表中某一簇對應的數值是0xFFFF，則說(shuō)明是文件最后一個(gè)簇，這時(shí)該簇 的數據可以不足一個(gè)整簇，需要對其中的數據進(jìn)行取舍，以保證發(fā)送數據的正確性。

　　對配置文件讀取和發(fā)送的函數偽碼如下所示。

　　ReadSD_FAT16（）{

　　讀取物理第0 扇區內容，即MBR，獲取邏輯0 扇區的位置；

　　讀取邏輯0 扇區的內容，獲取每扇區字節數，每簇扇區數，FAT 表占據的扇區數等參數；

　　讀取根文件夾的內容，根據配置文件的文件名獲取其起始簇號和文件長(cháng)度；

　　將當前簇設置為起始簇；

　　While（1）{

　　讀取FAT 中對應當前簇的內容，獲得下一個(gè)簇的簇號；

　　FAT 表中對應當前簇的內容為0xFFFF 時(shí)，即說(shuō)明當前簇是最后一個(gè)簇，計算該簇內的有效數據，并進(jìn)行發(fā)送；

　　讀取當前簇內容，進(jìn)行發(fā)送；

　　當前簇指向下一個(gè)簇；

　　}

　　}

　　3 結束語(yǔ)

　　在當前FPGA 使用領(lǐng)域日趨廣泛的情況下，對現有的含有FPGA 的嵌入式產(chǎn)品進(jìn)行升 級更新成為了一項比較繁瑣的工作，特別是在產(chǎn)品數量較多的情況下。本方案提出了采用 SD 卡存儲配置數據的配置方案，使用了目前嵌入式系統中常見(jiàn)的ARM 微處理器和SD 卡， 不僅降低了成本，而且利用了現有資源，節省了電路板布線(xiàn)布局的空間。最重要的是使升級 過(guò)程更加簡(jiǎn)潔，在進(jìn)行調試時(shí)也可以靈活使用。本文只給出了對Virtex FPGA 進(jìn)行配置的情 況，該方案也可以適用于Spartan 系列FPGA。