基于Xilinx-Spartan6 FPGA的MultiBoot設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

劉 釗，杜永鋒，許知博

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

Xilinx公司出品的Spartan6系列FPGA所具有的MultiBoot特性，允許用戶在不掉電重啟的情況下，根據(jù)不同時(shí)刻的需求，有選擇地從存儲(chǔ)于Flash中的多個(gè)配置文件中加載其中的一個(gè)，對(duì)FPGA在系統(tǒng)重配置，實(shí)現(xiàn)不同的功能。MultiBoot特性使得用戶可以在某些場(chǎng)合選擇較少邏輯資源的Xilinx FPGA，實(shí)現(xiàn)需要較大邏輯資源且較昂貴的FPGA或ASIC才能實(shí)現(xiàn)的功能，從而提高器件利用率及系統(tǒng)安全性、降低系統(tǒng)成本。

1 基本概念

Spartan－6 FPGA在上電時(shí)從片外Flash加載mcs文件進(jìn)行配置［1］。根據(jù)所包含的bit流文件的個(gè)數(shù)，mcs文件分為兩類:一類是由單bit流文件生成的mcs文件［2］，即該mcs文件中只包含一個(gè)bit流文件，用此類mcs文件配置FPGA時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)一種功能;另一類是由多個(gè)bit流文件生成的mcs文件，即該mcs文件包含多個(gè)bit流文件。用此類mcs文件配置FPGA時(shí)，可根據(jù)需求有選擇地加載其中的某個(gè)bit流文件對(duì)FPGA進(jìn)行系統(tǒng)重配置，即MultiBoot特性。

Spartan－6 FPGA擁有專用的MultiBoot邏輯配置模塊，來實(shí)現(xiàn)MultiBoot和Fallback操作。MultiBoot操作是在各配置bit流文件能正常加載的前提下，通過ICAP設(shè)置配置模塊中的相關(guān)寄存器并觸發(fā)IPROG命令，實(shí)現(xiàn)在不同配置bit流文件中的切換，達(dá)到FPGA實(shí)現(xiàn)不同功能的目的。Fallback操作是在從配置A切換到配置B的過程中出錯(cuò)時(shí)，用另一個(gè)比較“安全”的bit流文件代替配置文件B配置FPGA的操作。這個(gè)比較“安全”的bit流文件稱為Golden。

FPGA的重配置操作，是通過專用的 ICAP_SPARTAN6原語向配置模塊發(fā)送IPROG命令來實(shí)現(xiàn)的。重配置操作可由FPGA外部的處理器、微控制器、計(jì)算機(jī)和按鍵等“智能”終端觸發(fā)。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，只需在每個(gè)應(yīng)用程序中例化一個(gè)ICAP_SPARTAN6原語來實(shí)現(xiàn)相關(guān)命令序列即可實(shí)現(xiàn)MultiBoot特性。

Spartan6的多bit流配置可通過 SPI x1，x2，x4及BPI模式實(shí)現(xiàn)，文中只介紹基于SPI模式的MultiBoot特性的實(shí)現(xiàn)，用配置文件代替應(yīng)用程序。

2 MultiBoot操作相關(guān)寄存器簡(jiǎn)介

(1)所有Spartan－6 FPGA的bit流控制命令都是通過讀寫相關(guān)配置寄存器實(shí)現(xiàn)的。配置數(shù)據(jù)都是16位寬的字，也有一些數(shù)據(jù)是多字的，配置數(shù)據(jù)包含的3個(gè)主要命令如表1所示。

表1 操作編碼

(2)所有的操作數(shù)據(jù)可分為兩種:

TYPE1 包含兩部分:Header，Data。

TYPE2 包含 3 部分:Header，Word Count，Data。

用TPYE1就能實(shí)現(xiàn)MultiBoot和Fallback操作，故只介紹TYPE1。TYPE1的Header是個(gè)16位字，用其中6位表示相關(guān)寄存器的地址，如表2所示。

表2 TYPE1的Header

其中Operation位［12∶11］是表1中所列的操作碼，寄存器地址［10∶5］如表 4所示，字節(jié)數(shù)［4∶0］表示操作所需的字節(jié)數(shù)。

TYPE1的數(shù)據(jù)部分形式如表3所示。

表3 TYPE1的Data

(3)Spartan－6 FPGA的MultiBoot常用配置寄存器及功能列表如表4所示。

表4 MultiBoot常用寄存器

寄存器功能介紹:

1)命令寄存器CMD。命令寄存器CMD存儲(chǔ)配置控制命令，以產(chǎn)生全局信號(hào)執(zhí)行其配置功能。在MultiBoot操作中，常用的CMD命令如表5所示。

表5 命令寄存器MultiBoot常用命令

2)General寄存器。觸發(fā) IPROG命令后，General1、General2中存放用于對(duì)FPGA進(jìn)行重配置的下一個(gè)bit流文件的地址，其中General1存放地址的低16位，General2的高8位存放SPI操作碼，低8位存放地址的高8位。General3、General4存放Fallback時(shí)的配置文件地址，其中 General3存放低16位地址，General4的高8位存放SPI操作碼，低8位存放地址的高8位。General5中存放MultiBoot或Fallback時(shí)的用戶自定義數(shù)據(jù)。

3)模式寄存器MODE_REG。MODE_REG模式寄存器主要用于重配置時(shí)的一些模式設(shè)置，如SPI總線的位寬。模式寄存器中各位的功能如表6所示。MultiBoot和Fallback操作需對(duì)［13∶8］進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

表6 模式寄存器

4)控制寄存器CTL、配置選項(xiàng)寄存器COR2。因CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤也可能觸發(fā)Fallback操作，因此為安全起見，如果可能發(fā)生CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，需將CTL寄存器的CRC_EXTSTAT位清零，使能CRC校驗(yàn)，并將COR2寄存器的RESET_ON_ERROR置1，使能CRC錯(cuò)誤時(shí)的Fallback操作。但如果能確定不發(fā)生CRC錯(cuò)誤，可不設(shè)置這兩位。

3 MultiBoot原理

如上所述，Spartan－6 FPGA內(nèi)置有專用的MultiBoot邏輯控制模塊，來實(shí)現(xiàn)MultiBoot(IPROG)和Fallback操作。當(dāng)觸發(fā)Fallback或IPROG時(shí)，片內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖，使片內(nèi)配置邏輯復(fù)位，但不會(huì)使專用的MultiBoot邏輯和BOOTSTS、MODE、G1－G5復(fù)位。

實(shí)現(xiàn)MultiBoot特性時(shí)，存儲(chǔ)器中的配置文件組織模式如圖1所示。

圖1 MultiBoot配置文件組織

如圖1所示，第一部分是Header，這個(gè)小的bit文件中包含同步字、下一個(gè)配置文件的地址以及IPROG命令。此段必須位于Flash存儲(chǔ)器中的0地址處。該部分可由命令文件生成［3］。第二部分是 MultiBoot Bitstream，由用戶的多個(gè)bit流配置文件組成，其地址可在生成mcs文件時(shí)指定到符合Flash操作要求的任何地方。進(jìn)行 MultiBoot操作時(shí)只需通過 ICAP向MultiBoot邏輯控制模塊發(fā)送IPROG命令，之后控制模塊就會(huì)根據(jù)General1、General2指定的地址，加載下一個(gè)需要的配置文件。第三部分是Fallback或Golden配置文件，地址可由General3、General4指定。

Header、MultiBoot配置文件、Fallback配置文件在加載過程中，如果出錯(cuò)，F(xiàn)PGA會(huì)根據(jù)相應(yīng)寄存器的值，從配置文件的起始地址重新加載3次，加載次數(shù)的計(jì)數(shù)保存在 BOOTSTS寄存器的［15∶12］位，名稱為strike。

Header在加載過程中分配有3個(gè)strike計(jì)數(shù)值:6、7、8。當(dāng)檢測(cè)到 CRC 錯(cuò)誤，且 RESET_ON_ERROR為1、strike＜9，則strike計(jì)數(shù)器加1，并重新開始配置過程。若看門狗計(jì)時(shí)器超時(shí)也會(huì)觸發(fā)相同操作，但此時(shí)會(huì)忽略RESET_ON_ERROR的狀態(tài)。若strike等于9，則停止配置，且將INIT和DONE引腳拉低。

MultiBoot配置文件在加載過程也分配有3個(gè)strike計(jì)數(shù)值:0、1、2。當(dāng)在加載過程檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，如果strike＜3且RESET_ON_ERROR為1，則strike計(jì)數(shù)器加1，且從General1、General2指定的地址處重新加載配置文件。若strike計(jì)數(shù)器等于3，則觸發(fā)Fallback操作。

Fallback或Golden配置文件在加載過程也分配有3個(gè)計(jì)數(shù)值:3、4、5。當(dāng)在加載工程中檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，若strike計(jì)數(shù)器值 ＜6，則 strike計(jì)數(shù)器加 1，并從General3和General4指定的配置文件地址處重新加載配置文件。若strike計(jì)數(shù)器為6，則從0地址處加載Header配置文件。此時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)執(zhí)行循環(huán)加載過程:Header→MultiBoot→Fallback(或 Golden)→ Header，每次循環(huán)都會(huì)使strike計(jì)數(shù)器加1，最多3次。若其間某個(gè)配置文件加載成功，則停止循環(huán)，否則直到strike計(jì)數(shù)為9，停止加載過程。Strike計(jì)數(shù)器只能通過復(fù)位或重啟系統(tǒng)清零。

Fallback是一種出于安全性考慮的操作。一旦該操作被觸發(fā)且加載Golden成功，若再想退出Golden加載其他用戶配置文件，只能復(fù)位FPGA或重啟系統(tǒng)。

4 MultiBoot實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)例

實(shí)現(xiàn)MultiBoot操縱有兩種方法:(1)基于ICAP的寄存器編程實(shí)現(xiàn)。(2)通過在生成bit流文件時(shí)，設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。

4.1 基于ICAP的寄存器編程實(shí)現(xiàn)

如上所述，通過 ICAP_SPARTAN6原語發(fā)送IPROG命令，其發(fā)送命令序列如下:(1)發(fā)送同步字。(2)配置General1－General4，指定相關(guān)操作所需配置文件地址及操作碼。(3)發(fā)送IPROG命令。ICAP_SPARTAN6原語接口定義如表7所示。

表7 ICAP_SPARTAN6接口定義

在主SPI模式下，ICAP_SPARTAN6的輸入數(shù)據(jù)在從總線I［15∶0］輸入前，要進(jìn)行字節(jié)范圍內(nèi)的位交換，即16位寬的字分為高8位1 Byte，低8位1 Byte，各字節(jié)的最高位［7］和最低位［0］交換，位［6］與位［1］交換，其他以此類推。

通過ICAP觸發(fā)IPROG的命令序列舉例如表8所示。

表8 ICAP命令序列舉例

IPROG命令后需經(jīng)過一段時(shí)間后，F(xiàn)PGA內(nèi)部才會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的重配置信號(hào)，因此在IPROG命令后需跟幾個(gè)空操作命令，一般為4個(gè)。GENERAL2、GENERAL4中的操作碼:0x0B、0x3B、0x6B 分別為 SPI x1、SPI x2、SPI x4。

ICAP邏輯模塊是FPGA中的專有邏輯模塊，因此在生成bit文件的各源文件中必須都實(shí)例化一個(gè)ICAP模塊。一般情況下對(duì)ICAP模塊的控制操作通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)［4］。

4.2 選項(xiàng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)MultiBoot功能所需配置的所有寄存器，均可在生成bit文件時(shí)通過添加相關(guān)的生成設(shè)置選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)［5－6］。在進(jìn)程菜單中單擊 Generate Programming File，選擇 Process Properties，彈出配置窗口如圖2 所示［7－8］。

圖2 選項(xiàng)配置

5 結(jié)束語

介紹了實(shí)現(xiàn)MultiBoot操作的兩種方式，一種是基于ICAP的寄存器編碼配置方式。可通過源代碼中的注釋，使后續(xù)開發(fā)維護(hù)人員閱讀代碼、擴(kuò)展功能時(shí)思路清晰，缺點(diǎn)是需編寫大量代碼，并需對(duì)ICAP的操作與命令序列有一定了解。第二種通過在生成bit文時(shí)添加相關(guān)設(shè)置選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)，方便簡(jiǎn)單，但需大量的文本注釋，以便后續(xù)的開發(fā)與維護(hù)。當(dāng)然，實(shí)際的應(yīng)用開發(fā)過程中可同時(shí)使用這兩種方法，實(shí)現(xiàn)更高效便捷的編碼開發(fā)。

［1］Maozheng7989680，XilixISE 生成文件與下載［EB/OL］.(2010－12－08)［2011 －05 －11］http://maozheng7989680.blog.163.com/blog/static/50465343201011803924785.

［2］Zuiaitao，Xilinx+ISE 下載文件生成步驟［EB/OL］.(2010－11－06)［2011 －05 －11］http://download.csdn.net/download/zuiaitao/2812779.

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