一种基于DSP和JTAG接口的FPGA系统在线编程设计

引言DSP+FPGA广泛地应用于各种数字信息处理系统中。在某些特殊的应用场合中，往往需要系统在高温的环境下工作，而系统功耗又不明显增加。虽然一般基于SRAM工艺的FPGA的显现配置方法已经多种多样，但使用的基于SRAM工艺的FPGA高温性能较差，难以满足高温、低功耗系统的需要。Actel公司基于Flash工艺的FPGA是为军工以及宇航设计的器件，完全能够胜任高温的需要。一般的FPGA都具有上电功耗、配置功耗、静态功耗和动态功耗4种，而Actel基于Flash的FPGA由于上电不需要一个很大的启动电流，并且掉电非易失，不需要配置过程，所以只有静态功耗和动态功耗，没有上电功耗和配置功耗。FPGA在高温下具有更低功耗的优势。
本文根据Actel公司的产品手册及相关文件，设计了一种由DSP控制实现FPGA在线编程的方案，使Actel的FPGA能应用于需要在线升级的应用场合中，充分发挥其高温高可靠性、低功耗的优势。当FPGA需要在线编程时，只需通过PC下传FPGA配置命令给DSP，DSP即可把PC下传的FPGA的配置数据通过JTAG写入FPGA完成在线升级。该方法的优点在于：无需额外配置芯片(DSP在不需要给FPGA进行在线升级时，可进行其他工作)，简单可靠，在低功耗和高温的应用中显得更为重要。
1 方案设计
图1所示为整体结构设计方案，由PC、UART接口、DSP、RAM存储器、FPGA以及相应的外围辅助电路构成。其中TMS320F28335芯片是ti公司2000系列的DSP芯片，A3P250为Actel公司ProASIC3系列的FPGA芯片，RAM芯片为IS61LV51216。DSP的4个GPIO与FPGA的JTAG接口相连，而DSP通过串口转USB与PC通信。这些芯片都能在125℃环境下正常稳定地工作。其中A3P250一般的静态待机电流仅几mA。
系统基本实现步骤为：
①基于VC编写文件转换软件，实现FPGA的程序代码(.dat文件)转换成2位十六进制的数据，并存储在txt文档中。
②PC发送下载代码指令至DSP，通知DSP有代码需要下传。之后就可以把FPGA程序代码(txt文档)以十六进制数据发送给DSP，DSP将收到2位十六进制数据存至外部RAM中。每个地址存两个2位十六进制数据，先存低位，再存高位(存入RAM是由于FPGA的程序代码量比较大)。
③DSP对下载的代码进行CRC校验，回传调试信息。若代码CRC校验成功，PC就可以发送编程指令通知DSP给FPGA编程。
④DSP控制FPGA JTAG实现读取FPGA设备的ID，验证是否与配置数据中的ID一致。成功，则开始FPGA编程。DSP实时回传编程的调试信息给PC，方便观察调试。编程成功之后，FPGA即可正常运行。
由于串口传输过程只需要两根信号线，即传输线TX以及接收线RX，故传输协议简单，且较好地避免了JTAG距离的限制。同时，系统在需要对DSP的配置控制功能进行升级时，也可以通过串口实现。
2 方案实现
2.1 系统硬件设计和实现
根据方案设计，配置控制电路如图2所示。在本系统中FPGA的JTAG口与DSP的GPIO相连，DSP的SCIA接口经RS485收发器和串口转USB芯片连接至PC，实现指令下传至DSP和调试信息上传至PC。DSP在外部接口(XINTF)的ZONE7区(共3个区域，另两个为ZONE0、ZONE6)外部扩展1片512 KB×16的外部RAM，用以存储FPGA的配置码流。F28335的XINTF区域可以通过编程来配置特定的等待状态数，选通信号的建立和保持时间，而且读写访问可以独立配置。当片选信号被拉低时，用户可以访问该区域。如当程序访问0x00300000时，就会产生外部地址0x00000和ZONE7区片选信号(
)。另外，需特别注意的是，在编程电压VPUMP和地之间需接0.01μF和0.33%20%20μF滤波电容。不接，可能会导致JTAG边界扫描接入失败等问题。通过PC下传下载代码指令，DSP接收FPGA的配置码流并保存在外部RAM，之后PC就可以下传指令，命令DSP给FPGA再编程。
2.2 系统软件设计和实现
2.2.1 DerectC介绍和移植
Actel公司基于Flash的FPGA只能通过JTAG接口，而JTAG使用的距离较近，程序升级必须拆卸系统封装，较为麻烦，且容易造成零部件损坏。Derectc3.0是Actel提供的一系列C源程序代码，通过移植它到不同的微处理器，将微处理器通用I/O(需支持LVTTL电平)连接至FPGA的JTAG接口，实现FPGA的擦除或再编程。DerectC不包含任何与应用或者设备相关的信息，它只负责解析配置文件中的内容，在JTAG接口上产生用于配置的二进制数据流并读取反馈数据，适用于IGL002、SmartFusion2、ProASIC3、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列。DerectC程序框图如图3所示，DerectC需使用Libero生成的.dat格式的FPGA配置文件，文件需要LiberoV8.5以上才能获得。在Libero SoC v11.1中，只需点击gene rate programming data选项即可获得。在使用DerectC时，只需对它作一些修改，增加一些必要的API函数，然后添加至C工程中即可。
把DerectC移植到DSP中，主要经过以下步骤：
①针对使用的FPGA系列，添加和去除预处理语句，去除不必要的代码;
②将JTAG信号映射到具体的DSP硬件引脚;
③添加JTAG输入输出函数和配置文件数据块读取函数等必要的API函数。
对于IGLOO2、SmartFusion2、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列的FPGA，移植过程是完全一样的。移植完成后，对于以上提到的所有Actel的FPGA芯片都可以实现在线编程，只是FPGA的配置电路中滤波电容的个数可能稍有差异。
另外，DerectC还支持FPGA的菊花链编程。在移植DerectC时，只需设置好在边界扫描链中IR和DR的长度和额外支持菊花链的预编译指令。此时只需一块DSP就可以依次完成多块FPGA的在线升级，大大节省了硬件开支。2.2.2 配置文件格式及转换
A3P系列Libero产生的配置文件包含3个方面的内容：
①头块：包含二进制文件的识别信息(软件版本号等)、数据块的数目、总的字节长度、目标设备ID和DerectC识别所支持的块所需的标志位等，共69字节。
②数据查找表：在DerectC中使用到的各数据块在文件的相对起始地址以及长度，每个数据占5字节。
③数据块：二进制数据码流，用于给FPGA在线编程的主要数据，总长度以字节为单位，最后包含总的data文件的CRC校验码。
方便下传数据，基于VC把整个二进制data文件转换成2位十六进制的数据流并存储在TXT文档中，同时在文件的头部加入表明整个data文件长度的4字节，以方便PC指示DSP下传的数据长度。具体为VC以二进制的形式打开配置文件，读取其长度写入TXT文档，并每次读取8位二进制数据转换为2位十六进制数据。DSP把收到的数据依次存在DSP的外部RAM(每个地址存两个字节)，先存低位，再存高位。
2.2.3 配置程序数据的下载实现
本设计PC通过USB转串口向DSP发送指令，以指示DSP需要进行什么样的操作。表1为常用的几个串口指令，指令长度都为2字节。
DSP的主程序流程图如图4所示。DSP串口中断等待PC下传FPGA在线编程指令，对收到的FPGA配置数据流进行CRC校验，保证程序的完整性。之后DSP接入FPGA边界扫描链，在JTAG每个TCK上升沿读取TDI的数据或向TD0输出1位数据，在DSP把IR操作数内容写入IR，FPGA会自动把DR放入边界扫描链，进行FPGA的数据读出与写入，从而实现读取FPGA设备ID与配置数据流中的设备ID匹配、FPGA的擦除、配置文件中的数据块写入FPGA等操作，完成在线升级。
3 试验结果分析
为了确保配置控制方法的可靠性，通过串口往DSP下传经过VC转换的FPGA配置文件，DSP接收到全部配置文件后会进行CRC校验。检验的结果通过串口实时回传至PC，保证了配置文件的完整性。之后DSP读取FPGA的设备ID，与配置文件的ID进行对比，确保目标设备的正确性，结果同样通过PC显示出来。
在上述验证通过的情况下，DSP开始对FPGA进行擦除操作，之后向FPGA中烧写跑马灯配置码流数据。和Actel的FlashPRO3编程器一样，烧写完成之后会对编程结果进行验证，确保烧写的正确性。以上过程中，DSP串口会返回调试过程信息给PC，以表明程序烧写进程。整个过程完成后，LED灯按预期程序设计有规律地闪烁，无需重新启动。在实验系统环境中，一次配置的时间约为97 s，与使用Actel的FlashPRO3编程器的时间相差无几，配置时间很短。
结语
本设计实现了一种基于DSP GPIO口驱动FPGA的JTAG接口，以及串口对Actel FPGA进行系统的在线编程。不仅适用于某一型号的Actel的FPGA，而且适用于IGLOO2、Smart Fus ion2、ProASIC3、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列，适用范围很广。另外，该设计简单，只需将DSP的GPIO与FPGA的JTAG中4个必要的引脚相连，串口下传指令和FPGA配置数据，无需额外的配置芯片，避免了JTAG距离的限制，且采用的芯片完全满足高温、低功耗的要求，具有高速高、可靠性等优点，方便多任务的切换。使用本系统无需重启就可以动态地更新FPGA应用，使得Actel的FPGA应用能不受在线升级的距离困扰。