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(xiàn)，當前采用FPGA 芯片的嵌入式系統(tǒng)數(shù) 量呈現(xiàn)迅速增加的趨勢，特別是在需要進行大規(guī)模運算的通信領(lǐng)域。目前FPGA 配置數(shù)據(jù)一 般使用基于SRAM 的存儲方式，掉電后數(shù)據(jù)消失，每次上電后都要重新寫入。配置數(shù)據(jù)的 寫入方式有3 種，即使用JTAG 仿真器、使用專用芯片以及使用微處理器。JTAG 仿真器的 方式在調(diào)試的時候使用較多，能隨時修改，但缺點是FPGA 芯片必須與電腦主機連接，失去 了靈活性。使用專用芯片的方式可以將配置數(shù)據(jù)事先存儲在非易失性存儲介質(zhì)中，為大規(guī)模 升級提供了方便，但不利之處在于專用芯片往往價格較高，并且也必須采用特定的存儲介質(zhì)， 提升了系統(tǒng)成本，而且沒有利用到板上的現(xiàn)有資源，需要為配置芯片設(shè)置出專用的空間，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(tǒng)中一般都存在的微處理 器，同時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行說明。

　　2. 系統(tǒng)介紹

　　2.1 系統(tǒng)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(shù)據(jù)的介質(zhì)是成本較低而且使用廣泛的SD 卡。

　　系統(tǒng)的工作原理是上電時微控制器LPC2468 從SD 卡中讀取FPGA 的配置文件，然后 通過其通用IO 管腳模擬FPGA 的某種配置模式的時序，將配置文件寫入到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其專用配置管腳的狀態(tài)決定的，對應(yīng)的關(guān)系 如下表所示：

　　因在系統(tǒng)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(qū)別在與數(shù)據(jù)管腳的數(shù) 目不同，Slave Serial 模式只有1 個管腳用于數(shù)據(jù)傳輸，屬于串行傳輸，而Slave SelectMap 模式有8 個管腳用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)等方面有自己的特點， 在進行電路板設(shè)計以及程序編寫時需要注意。下面對其主要特點進行說明。

　　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(jù)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，連接電路圖如圖1 所示：

　　2.3.2 Slave SelectMap 模式的配置流程

　　Slave SelectMap 模式下提供時鐘的是外部器件，本方案中的時鐘信號是CCLK 使用 ARM 芯片的通用IO 進行模擬。同時，該模式下數(shù)據(jù)管腳有8 個，因此在每個CCLK 的上 升沿，F(xiàn)PGA 可以讀入1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。需要注意的是這1 字節(jié)的最高位是D0，而不是一 般微處理器默認的D7，在電路板布線和編寫配置程序時應(yīng)給予相應(yīng)改變。

　　配置過程的具體流程如圖2 所示。

　　接收完配置數(shù)據(jù)后，DONE 管腳會被拉高。但這并不是表示配置過程已經(jīng)結(jié)束，系統(tǒng)仍 需要時鐘來進行后續(xù)的上電啟動工作。為保證上電配置過程的正確進行，最好的辦法是將配 置文件中的所有數(shù)據(jù)寫入FPGA 中之后，然后繼續(xù)輸出CCLK 信號，直到DONE 管腳被拉 高。之后，再輸出8 個周期的CCLK，保證配置能正常完成。

　　根據(jù)上述流程，配置程序的主要函數(shù)的偽碼如下。

　　1.初始化函數(shù)SelectMAP_Init，在其它函數(shù)之前運行。

　　SelectMAP_Init（）{

　　將ARM 通用IO 設(shè)置為對應(yīng)的SelectMap 管腳信號；

　　設(shè)置 PROGRAM#，CS#和WRITE#管腳為低電平；

　　延時至少300ns；

　　設(shè)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(shù)據(jù)的函數(shù)SendData_Byte，發(fā)送1 字節(jié)的數(shù)據(jù)。

　　SendData（uint8 data）{

　　拉低CCLK；

　　將 D0~D7 電平設(shè)置為與data 對應(yīng)的狀態(tài)；

　　拉高 CCLK；

　　}

　　3.發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)SendData_Sector，發(fā)送SD 卡中1 個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

　　void SendData_Sector（uint8 * data）{

　　聲明計數(shù)器，并將初始值設(shè)為0；

　　調(diào)用 SendData_Byte 發(fā)送1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，計數(shù)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(shù)器是否到達規(guī)定的數(shù)據(jù)塊大小，達到時函數(shù)返回，未到達時繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；

　　}

　　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 格式包含頭部開銷，會增加額外的處 理過程，因此本方案沒有支持.BIT 格式的數(shù)據(jù)，僅推薦使用.BIN 格式。

　　2.4 文件在SD 卡中的存儲

　　發(fā)送數(shù)據(jù)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組織的，本方案默認文件采用FAT16 格式進行存儲。FAT16 格式下，SD 卡的結(jié)構(gòu)如下圖所示［3］。

　　主引導(dǎo)記錄中最重要的參數(shù)是邏輯扇區(qū)的起始地址。獲得該參數(shù)后即可以讀取BIOS 參 數(shù)數(shù)據(jù)塊（BPB）。BPB 中存儲了扇區(qū)（Sector）、簇（Cluster）、文件分配表（FAT）的 大小，以及分區(qū)總扇區(qū)數(shù)等參數(shù)，是文件進行操作時必不可少的。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。每個簇包含的扇區(qū)數(shù)目在BPB 中說明。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(jù)上述SD 卡存儲格式的說明，可以對存儲在其中的配置數(shù)據(jù)進行讀取并發(fā)送出去。在本方案中，數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送是同時進行的。

　　在對 SD 卡進行讀取時，首先需要讀取主引導(dǎo)記錄（MBR），獲得邏輯扇區(qū)的位置，然 后根據(jù)該位置讀取BIOS 參數(shù)數(shù)據(jù)塊（BPB），得到文件分配表（FAT）的位置以及扇區(qū)大 小等參數(shù)。在讀取文件分配表之前，需要先讀取根文件夾來獲得文件的起始位置，然后再 通過文件分配表獲得后續(xù)數(shù)據(jù)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(yīng)該起始簇的字節(jié)，獲得文件存儲的 下一個簇的簇號，這樣可以連續(xù)的進行讀取。在讀取一個簇后，即將整簇的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 如果發(fā)現(xiàn)文件分配表中某一簇對應(yīng)的數(shù)值是0xFFFF，則說明是文件最后一個簇，這時該簇 的數(shù)據(jù)可以不足一個整簇，需要對其中的數(shù)據(jù)進行取舍，以保證發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。

　　對配置文件讀取和發(fā)送的函數(shù)偽碼如下所示。

　　ReadSD_FAT16（）{

　　讀取物理第0 扇區(qū)內(nèi)容，即MBR，獲取邏輯0 扇區(qū)的位置；

　　讀取邏輯0 扇區(qū)的內(nèi)容，獲取每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT 表占據(jù)的扇區(qū)數(shù)等參數(shù)；

　　讀取根文件夾的內(nèi)容，根據(jù)配置文件的文件名獲取其起始簇號和文件長度；

　　將當前簇設(shè)置為起始簇；

　　While（1）{

　　讀取FAT 中對應(yīng)當前簇的內(nèi)容，獲得下一個簇的簇號；

　　FAT 表中對應(yīng)當前簇的內(nèi)容為0xFFFF 時，即說明當前簇是最后一個簇，計算該簇內(nèi)的有效數(shù)據(jù)，并進行發(fā)送；

　　讀取當前簇內(nèi)容，進行發(fā)送；

　　當前簇指向下一個簇；

　　}

　　}

　　3 結(jié)束語

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