DSP和JTAG接口的FPGA系統(tǒng)在線編程方法＊

邱育杰，管?chē)?guó)云，聶在平，李穎

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都610054）

引 言

DSP＋FPGA廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字信息處理系統(tǒng)中。在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，往往需要系統(tǒng)在高溫的環(huán)境下工作，而系統(tǒng)功耗又不明顯增加。雖然一般基于SRAM工藝的FPGA的顯現(xiàn)配置方法已經(jīng)多種多樣[1-2]，但使用的基于SRAM工藝的FPGA高溫性能較差，難以滿足高溫、低功耗系統(tǒng)的需要。Actel公司基于Flash工藝的FPGA是為軍工以及宇航設(shè)計(jì)的器件，完全能夠勝任高溫的需要[3]。一般的FPGA都具有上電功耗、配置功耗、靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗4種，而Actel基于Flash的FPGA由于上電不需要一個(gè)很大的啟動(dòng)電流，并且掉電非易失，不需要配置過(guò)程，所以只有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，沒(méi)有上電功耗和配置功耗。FPGA在高溫下具有更低功耗的優(yōu)勢(shì)[4]。

本文根據(jù)Actel公司的產(chǎn)品手冊(cè)及相關(guān)文件，設(shè)計(jì)了一種由DSP控制實(shí)現(xiàn)FPGA在線編程的方案，使Actel的FPGA能應(yīng)用于需要在線升級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合中，充分發(fā)揮其高溫高可靠性、低功耗的優(yōu)勢(shì)[5]。當(dāng)FPGA需要在線編程時(shí)，只需通過(guò)PC下傳FPGA配置命令給DSP，DSP即可把PC下傳的FPGA的配置數(shù)據(jù)通過(guò)JTAG[6]寫(xiě)入FPGA完成在線升級(jí)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)需額外配置芯片（DSP在不需要給FPGA進(jìn)行在線升級(jí)時(shí)，可進(jìn)行其他工作），簡(jiǎn)單可靠，在低功耗和高溫的應(yīng)用中顯得更為重要。

1 方案設(shè)計(jì)

圖1所示為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，由PC、UART接口、DSP、RAM存儲(chǔ)器、FPGA以及相應(yīng)的外圍輔助電路構(gòu)成。其中TMS320F28335芯片是TI公司2000系列的DSP芯片，A3P250為 Actel公司Pro ASIC3[7]系列的FPGA芯片，RAM芯片為IS61LV51216。DSP的4個(gè)GPIO與FPGA的JTAG接口相連，而DSP通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB與PC通信。這些芯片都能在125℃環(huán)境下正常穩(wěn)定地工作。其中A3P250一般的靜態(tài)待機(jī)電流僅幾m A。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)步驟為：

①基于VC編寫(xiě)文件轉(zhuǎn)換軟件，實(shí)現(xiàn)FPGA的程序代碼（.dat文件）轉(zhuǎn)換成2位十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在txt文檔中。

②PC發(fā)送下載代碼指令至DSP，通知DSP有代碼需要下傳。之后就可以把FPGA程序代碼（txt文檔）以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP，DSP將收到2位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)存至外部RAM中。每個(gè)地址存兩個(gè)2位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，先存低位，再存高位（存入RAM是由于FPGA的程序代碼量比較大）。

③DSP對(duì)下載的代碼進(jìn)行CRC校驗(yàn)，回傳調(diào)試信息。若代碼CRC校驗(yàn)成功，PC就可以發(fā)送編程指令通知DSP給FPGA編程。

④DSP控制FPGA JTAG實(shí)現(xiàn)讀取FPGA設(shè)備的ID，驗(yàn)證是否與配置數(shù)據(jù)中的ID一致。成功，則開(kāi)始FPGA編程。DSP實(shí)時(shí)回傳編程的調(diào)試信息給PC，方便觀察調(diào)試。編程成功之后，F(xiàn)PGA即可正常運(yùn)行。

由于串口傳輸過(guò)程只需要兩根信號(hào)線，即傳輸線TX以及接收線RX，故傳輸協(xié)議簡(jiǎn)單，且較好地避免了JTAG距離的限制。同時(shí)，系統(tǒng)在需要對(duì)DSP的配置控制功能進(jìn)行升級(jí)時(shí)，也可以通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)[8]。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，配置控制電路如圖2所示。在本系統(tǒng)中FPGA的JTAG口與DSP的GPIO相連，DSP的SCIA接口經(jīng)RS485收發(fā)器和串口轉(zhuǎn)USB芯片連接至PC，實(shí)現(xiàn)指令下傳至DSP和調(diào)試信息上傳至PC。DSP在外部接口（XINTF）的ZONE7區(qū)（共3個(gè)區(qū)域，另兩個(gè)為ZONE0、ZONE6）外部擴(kuò)展1片512 KB×16的外部RAM，用以存儲(chǔ)FPGA的配置碼流[9]。F28335的XINTF區(qū)域可以通過(guò)編程來(lái)配置特定的等待狀態(tài)數(shù)，選通信號(hào)的建立和保持時(shí)間，而且讀寫(xiě)訪問(wèn)可以獨(dú)立配置。當(dāng)片選信號(hào)被拉低時(shí)，用戶(hù)可以訪問(wèn)該區(qū)域。如當(dāng)程序訪問(wèn)0x00300000時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生外部地址0x00000和ZONE7區(qū)片選信號(hào)。另外，需特別注意的是，在編程電壓VPUMP和地之間需接0.01μF和0.33μF濾波電容。不接，可能會(huì)導(dǎo)致JTAG邊界掃描接入失敗等問(wèn)題。通過(guò)PC下傳下載代碼指令，DSP接收FPGA的配置碼流并保存在外部RAM，之后PC就可以下傳指令，命令DSP給FPGA再編程。

圖2 系統(tǒng)配置電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.2.1 DerectC介紹和移植

Actel公司基于Flash的FPGA只能通過(guò)JTAG接口，而JTAG使用的距離較近，程序升級(jí)必須拆卸系統(tǒng)封裝，較為麻煩，且容易造成零部件損壞。DerectC3.0[10]是Actel提供的一系列C源程序代碼，通過(guò)移植它到不同的微處理器，將微處理器通用I/O（需支持LVTTL電平）連接至FPGA的JTAG接口，實(shí)現(xiàn)FPGA的擦除或再編程。DerectC不包含任何與應(yīng)用或者設(shè)備相關(guān)的信息，它只負(fù)責(zé)解析配置文件中的內(nèi)容，在JTAG接口上產(chǎn)生用于配置的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流并讀取反饋數(shù)據(jù)，適用于IGLOO2、Smart Fusion2、Pro ASIC3、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列。DerectC程序框圖如圖3所示，DerectC需使用Libero生成的.dat格式的FPGA配置文件，文件需要Libero V8.5以上才能獲得。在Libero SoC v11.1中，只需點(diǎn)擊generate programming data選項(xiàng)即可獲得。在使用DerectC時(shí)，只需對(duì)它作一些修改，增加一些必要的API函數(shù)，然后添加至C工程中即可。

圖3 DerectC程序框圖

把DerectC移植到DSP中，主要經(jīng)過(guò)以下步驟：

①針對(duì)使用的FPGA系列，添加和去除預(yù)處理語(yǔ)句，去除不必要的代碼；

②將JTAG信號(hào)映射到具體的DSP硬件引腳；

③添加JTAG輸入輸出函數(shù)和配置文件數(shù)據(jù)塊讀取函數(shù)等必要的API函數(shù)。

對(duì)于IGLOO2、Smart Fusion2、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列的FPGA，移植過(guò)程是完全一樣的。移植完成后，對(duì)于以上提到的所有Actel的FPGA芯片都可以實(shí)現(xiàn)在線編程，只是FPGA的配置電路中濾波電容的個(gè)數(shù)可能稍有差異。

另外，DerectC還支持FPGA的菊花鏈編程。在移植DerectC時(shí)，只需設(shè)置好在邊界掃描鏈中IR和DR的長(zhǎng)度和額外支持菊花鏈的預(yù)編譯指令。此時(shí)只需一塊DSP就可以依次完成多塊FPGA的在線升級(jí)，大大節(jié)省了硬件開(kāi)支。

2.2.2 配置文件格式及轉(zhuǎn)換

A3P系列Libero產(chǎn)生的配置文件包含3個(gè)方面的內(nèi)容：

①頭塊：包含二進(jìn)制文件的識(shí)別信息（軟件版本號(hào)等）、數(shù)據(jù)塊的數(shù)目、總的字節(jié)長(zhǎng)度、目標(biāo)設(shè)備ID和DerectC識(shí)別所支持的塊所需的標(biāo)志位等，共69字節(jié)。

②數(shù)據(jù)查找表：在Derectc中使用到的各數(shù)據(jù)塊在文件的相對(duì)起始地址以及長(zhǎng)度，每個(gè)數(shù)據(jù)占5字節(jié)。

③數(shù)據(jù)塊：二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼流，用于給FPGA在線編程的主要數(shù)據(jù)，總長(zhǎng)度以字節(jié)為單位，最后包含總的data文件的CRC校驗(yàn)碼。

方便下傳數(shù)據(jù)，基于VC把整個(gè)二進(jìn)制data文件轉(zhuǎn)換成2位十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)流并存儲(chǔ)在TXT文檔中，同時(shí)在文件的頭部加入表明整個(gè)data文件長(zhǎng)度的4字節(jié)，以方便PC指示DSP下傳的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。具體為VC以二進(jìn)制的形式打開(kāi)配置文件，讀取其長(zhǎng)度寫(xiě)入TXT文檔，并每次讀取8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。DSP把收到的數(shù)據(jù)依次存在DSP的外部RAM（每個(gè)地址存兩個(gè)字節(jié)），先存低位，再存高位。

2.2.3 配置程序數(shù)據(jù)的下載實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)PC通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口向DSP發(fā)送指令，以指示DSP需要進(jìn)行什么樣的操作。表1為常用的幾個(gè)串口指令，指令長(zhǎng)度都為2字節(jié)。

DSP的主程序流程圖如圖4所示。DSP串口中斷等待PC下傳FPGA在線編程指令，對(duì)收到的FPGA配置數(shù)據(jù)流進(jìn)行CRC校驗(yàn)，保證程序的完整性。之后DSP接入FPGA邊界掃描鏈，在JTAG每個(gè)TCK上升沿讀取TDI的數(shù)據(jù)或向TDO輸出1位數(shù)據(jù)，在DSP把IR操作數(shù)內(nèi)容寫(xiě)入IR，F(xiàn)PGA會(huì)自動(dòng)把DR放入邊界掃描鏈，進(jìn)行FPGA的數(shù)據(jù)讀出與寫(xiě)入，從而實(shí)現(xiàn)讀取FPGA設(shè)備ID與配置數(shù)據(jù)流中的設(shè)備ID匹配、FPGA的擦除、配置文件中的數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入FPGA等操作，完成在線升級(jí)。

圖4 DSP程序流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了確保配置控制方法的可靠性，通過(guò)串口往DSP下傳經(jīng)過(guò)VC轉(zhuǎn)換的FPGA配置文件，DSP接收到全部配置文件后會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。檢驗(yàn)的結(jié)果通過(guò)串口實(shí)時(shí)回傳至PC，保證了配置文件的完整性。之后DSP讀取FPGA的設(shè)備ID，與配置文件的ID進(jìn)行對(duì)比，確保目標(biāo)設(shè)備的正確性，結(jié)果同樣通過(guò)PC顯示出來(lái)。

在上述驗(yàn)證通過(guò)的情況下，DSP開(kāi)始對(duì)FPGA進(jìn)行擦除操作，之后向FPGA中燒寫(xiě)跑馬燈配置碼流數(shù)據(jù)。和Actel的FlashPRO3編程器一樣，燒寫(xiě)完成之后會(huì)對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保燒寫(xiě)的正確性。以上過(guò)程中，DSP串口會(huì)返回調(diào)試過(guò)程信息給PC，以表明程序燒寫(xiě)進(jìn)程。整個(gè)過(guò)程完成后，LED燈按預(yù)期程序設(shè)計(jì)有規(guī)律地閃爍，無(wú)需重新啟動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中，一次配置的時(shí)間約為97 s，與使用Actel的FlashPRO3編程器的時(shí)間相差無(wú)幾，配置時(shí)間很短。

表1 串口指令列表

結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP GPIO口驅(qū)動(dòng)FPGA的JTAG接口，以及串口對(duì)Actel FPGA進(jìn)行系統(tǒng)的在線編程。不僅適用于某一型號(hào)的Actel的FPGA，而且適用于IGLOO2、Smart Fusion2、Pro ASIC3、IGLOO、Smart Fusion和Fusion系列，適用范圍很廣。另外，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需將DSP的GPIO與FPGA的JTAG中4個(gè)必要的引腳相連，串口下傳指令和FPGA配置數(shù)據(jù)，無(wú)需額外的配置芯片，避免了JTAG距離的限制，且采用的芯片完全滿足高溫、低功耗的要求，具有高速高、可靠性等優(yōu)點(diǎn)，方便多任務(wù)的切換。使用本系統(tǒng)無(wú)需重啟就可以動(dòng)態(tài)地更新FPGA應(yīng)用，使得Actel的FPGA應(yīng)用能不受在線升級(jí)的距離困擾。

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