如何通过ARM对可编程器件进行配置？

　　引言
　　基于SRAM工艺FPGA在每次上电后需要进行配置，通常情况下FPGA的配置文件由片外专用的EPROM来加载。这种传统配置方式是在FPGA的功能相对稳定的情况下采用的。在系统设计要求配置速度高、容量大、以及远程升级时，这种方法就显得很不实际也不方便。本文介绍了通过ＡＲＭ对可编程器件进行配置的的设计和实现。
　　1 配置原理与方式
　　1.1配置原理
　　在FPGA正常工作时，配置数据存储在SRAM单元中，这个SRAM单元也被称为配置存储器（Configuration RAM）。由于SRAM是易失性的存储器，因此FPGA在上电之后，外部电路需要将配置数据重新载入到片内的配置RAM中。在芯片配置完成后，内部的寄存器以及I/O管脚必须进行初始化。等初始化完成以后，芯片才会按照用户设计的功能正常工作。
　　1.2配置方式
　　根据FPGA在配置电路中的角色，其配置数据可以使用3种方式载入到目标器件中：
　　·FPGA主动（Active）方式；
　　·FPGA 被动（Passive）方式；
　　·JT
　　AG 方式；
　　在FPGA 主动方式下，由目标FPGA来主动输出控制和同步信号（包括配置时钟）给专用的一种串行配置芯片，在配置芯片收到命令后，就把配置数据发到FPGA，完成配置过程。在被动方式下，由系统中的其他设备发起并控制配置过程，FPGA只输出一些状态信号来配合配置过程。被动方式包括被动串行PS（Passive Serial ）、快速被动并行FPP（Fast Passive Parallel）、被动并行同步PPS（Passive Parallel Serial）、被动并行异步PPA（Passive Parallel Asynchronous）、以及被动串行异步PSA（Passive Serial Asynchronous）。JTAG是IEEE 1149.1边界扫描测试的标准接口。从JTAG接口进行配置可以使用Altera的下载电缆，通过Quartus工具下载，也可以采用微处理器来模拟JTAG时序进行配置。
　　2硬件电路设计
　　AT91ARM9200对EP1C6配置的硬件电路示意图如图１所示。
　　在配置FPGA时，首先需要将年nCONFIG拉低（至少40us）， 然后拉高。当nCONFIG被拉高后，FPGA的nSTATUS也将变高，表示这时已经可以开始配置，外部电路就可以用DCLK的时钟上升沿一位一位地将配置数据写进FPGA中。当最后一个比特数据写入以后，CONFIG_DONE管脚被FPGA释放，被外部的上拉电阻拉高，FPGA随即进入初始化状态。
　　
　　图 1 ARM配置FPGA电路原理图
　　3软件设计
　　本文在设计时使用Linux系统，软件编写和调试是在ADS 下。主要程序如下：
　　static AT91PS_PIO pioc;
　　inline void pioc_out_0 （int mask）
　　{
　　pioc-》;PIO_CODR = mask;
　　}
　　inline void pioc_out_1 （int mask）
　　{
　　pioc-》;PIO_SODR = mask;
　　}
　　inline int pioc_in （int mask）
　　{
　　return pioc-》;PIO_PDSR & mask;
　　}
　　inline void xmit_byte （char c）
　　{
　　int i;
　　for （i = 0; i 《 8; i++）
　　{
　　if （c & 1）
　　pioc_out_1 （DATA0）;
　　else
　　pioc_out_0 （DATA0）;
　　pioc_out_0 （DCLK）;
　　pioc_out_1 （DCLK）;
　　c 》》= 1;
　　}
　　}
　　void pioc_setup （）
　　{
　　pioc-》;PIO_PER　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
　　pioc-》;PIO_OER　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK;
　　pioc-》;PIO_ODR　　 =nSTATUS | CONF_DONE;
　　pioc-》;PIO_IFER　　 =nSTATUS | CONF_DONE;
　　pioc-》;PIO_CODR　　 =DATA0 | nCONFIG | DCLK; pioc-》;PIO_IDR　　　=DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
　　pioc-》;PIO_MDDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK;
　　pioc-》;PIO_PPUDR　=DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
　　pioc-》;PIO_OWDR =DATA0 | nCONFIG | DCLK | nSTATUS | CONF_DONE;
　　}
　　int pioc_map （）
　　{
　　int fd;
　　off_t addr = 0xFFFFF800;　　 // PIO controller C
　　static void *base;
　　if （（fd = open （“/dev/mem”， O_RDWR | O_SYNC）） == -1）
　　{
　　printf （“Cannot open /dev/mem./n”）;
　　return 0;
　　}
　　printf （“/dev/mem opened./n”）;
　　base = mmap （0， MAP_SIZE， PROT_READ|PROT_WRITE， MAP_SHARED， fd， addr & ~MAP_MASK）;
　　if （base == （void *） -1）
　　{
　　printf （“Cannot mmap./n”）;
　　return 0;
　　}
　　printf （“Memory mapped at address %p./n”， base）;
　　pioc = base + （addr & MAP_MASK）;
　　return 1;
　　}
　　int main （int argc， char **argv）
　　{
　　FILE *file;
　　char data［16］;
　　int nbytes， i;？
　　if （argc ！= 2）
　　{
　　printf （“%s /n”， argv［0］）;
　　return -1;
　　}
　　file = fopen （argv［1］， “r”）;
　　if （！file）
　　{
　　printf （“File %s not found./n”， argv［1］）;
　　return -1;
　　}
　　if （！pioc_map （））
　　return -1;
　　pioc_setup （）;
　　pioc_out_0 （nCONFIG）;
　　for （i = 0; i 《 10000 && pioc_in （nSTATUS）; i++） { }
　　if （i == 10000）
　　{
　　printf （“nSTATUS = 1 before attempting configuration./n”）;
　　return -1;
　　}
　　pioc_out_1 （nCONFIG）;
　　for （i = 0; i 《 10000 && ！pioc_in （nSTATUS）; i++） { }
　　if （i == 10000）
　　{
　　printf （“Timeout waiting for nSTATUS = 1./n”）;
　　return -1;
　　}
　　while （（nbytes = fread （data， sizeof （char）， sizeof （data）， file）） 》 0）
　　{
　　if （pioc_in （CONF_DONE））
　　{
　　printf （“CONF_DONE = 1 while transmitting data./n”）;
　　return -1;
　　}
　　if （！pioc_in （nSTATUS））
　　{
　　printf （“nSTATUS = 0 while transmitting data./n”）;
　　return -1 ;
　　}
　　for （i = 0; i 《 nbytes; i++）
　　xmit_byte （data）;
　　}
　　for （i = 0; i 《 10000 && ！pioc_in （CONF_DONE）; i++）
　　{
　　if （！pioc_in （nSTATUS））
　　{
　　printf （“nSTATUS = 0 while transmitting data./n”）;
　　return -1;
　　}
　　pioc_out_0 （DATA0）;
　　pioc_out_0 （DCLK）;
　　pioc_out_1 （DCLK）;
　　}
　　if （i == 10000）
　　{
　　printf （“Timeout waiting for CONF_DONE = 1./n”）;
　　return -1;
　　}
　　return 0;
　　}
　　4 结论
　　本文给出了基于ARM的FPGA加载配置软件实现。这种方法充分利用了ARM的速度快、灵活的特点，节省了开发成本，又满足了一些特殊的系统设计要求。本方法也适用于其它的微处理器。