Leon3軟核的FPGA SelectMap接口配置設計

摘要：與通常采用外圍的CPLD器件和CPU來產(chǎn)生配置接口控制邏輯的方法不同，本文設計了采用嵌入到FPGA的Leon3開源CPU軟核來控制實現(xiàn)Virtex系列FPGA的SelectMap接口配置的方法，可將其應用于對FPGA芯片的在線配置。該方法設計成本低，不局限于某一類型的FPGA芯片，減少了外圍分立元件的使用，增強了設計的靈活性。仿真結(jié)果表明該設計滿足SelectMap接口配置所需控制邏輯要求，可以完成FPGA的并行配置。
關(guān)鍵詞：FPGA；嵌入式CPU；Leon3軟核；SelectMap接口

引言
嵌入式系統(tǒng)的硬件通常包括CPU、存儲器和各種外設器件，其中CPU是系統(tǒng)的核心，其重要性不言而喻。隨著FPGA和SOPC技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比，具有設計周期短、設計風險和設計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復等優(yōu)點。基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)和市場逐漸成熟，使得嵌入式CPU軟核(如Xilinx公司推出的MicroBlaze、Altera公司的Nios、歐空局開發(fā)的Leon3軟核等)的大量應用成為可能。
Virtex系列FPGA是Xilinx公司推出的一種高密度、大容量的現(xiàn)場可編程門陣列。該系列FPGA可支持動態(tài)重構(gòu)，當FPGA邏輯功能需要轉(zhuǎn)換，如算法改進或是發(fā)現(xiàn)設計上的錯誤，或FPGA配置數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤而導致功能失效(如在空間輻射環(huán)境下的單粒子翻轉(zhuǎn)效應導致配置數(shù)據(jù)錯誤等)，則需要對FPGA進行重新配置。通常采用的配置系統(tǒng)由CPU、CPLD、FPGA和存儲器構(gòu)成。本文結(jié)合具體應用需求，介紹了利用嵌入式CPU Leon3軟核處理器對Virtex系列FPGA的配置進行控制的方法。此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的重構(gòu)，并且減少了外圍CPU和CPLD器件的使用，具有很好的應用價值。

1 Leon3軟核
Leon3是歐空局開發(fā)的32位CPU軟核，其標準版是一種開源的軟核，使用GNU LGPL授權(quán)協(xié)議，可以免費地應用于研究、教學和商業(yè)目的。Leon3軟核使用VHDL語言描述，與SPARC V8兼容，使用7級流水線，集成了全流水的IEEE-754浮點處理器，提高了對多處理器的支持。由于Leon系列指令集符合SPARC V8標準，外部總線符合AMBA標準，兼容軟件和IP核資源極其豐富，加上其開放源代碼的策略，對它的研究和應用受到了廣泛的關(guān)注。Leon3軟核具有良好的可配置性和可移植性，能夠根據(jù)需要靈活地選擇外圍控制器。并且該軟核不是FPGA廠商推出的，因此可以應用于不同類型的FPGA芯片。Leon3開源軟核的Grlib IP庫中提供了多種功能模塊，如串口控制器、存儲器控制器、通用可編程I／O等，把該軟核及其外圍的控制模塊集成到FPGA中，構(gòu)成一個嵌入式片上系統(tǒng)。

2 SelectMap接口配置系統(tǒng)設計
2．1 Virtex系列FPGA配置方式
Virtex系列FPGA基于SRAM工藝，共有4種配置方式：主串(master serial)、從串(slave setial)、SelectMap和邊界掃描(boundarysca-n)。串行(主串或從串)模式需要的配置信號少(PROGRAM、CCLK、DIN、INIT、DONE)，F(xiàn)PGA在配置時鐘的上升沿接收1位配置數(shù)據(jù)，該配置方式速度較慢。邊界掃描模式?jīng)]有存儲芯片，掉電后需重新配置，所以該種配置方式多用于調(diào)試階段。SelectMap模式是一種8位并行配置模式，它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式，其配置時鐘最高可達66MHz，每個配置時鐘周期內(nèi)有8位配置數(shù)據(jù)下載到FPGA內(nèi)。在對配置速度要求較高的一些應用場合，一般采用SelectMap配置方式。
SelectMap配置方式所需引腳及相應功能如表1所列。表中BUSY信號是握手信號，只有當配置時鐘的頻率超過50MHz時才起作用，本設計的配置時鐘頻率低于50MHz，因此不使用BUSY信號。M(2：0)是模式選擇信號，在SelectMap配置模式下，M(2：0)應置為110。