基于CPLD+FLASH通用快速的FPGA配置方案*

袁 君，李治輝，姚 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于FPGA數(shù)據(jù)掉電丟失的問題，F(xiàn)PGA配置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的部分[1]。隨著FPGA配置文件的增大，配置時(shí)間在系統(tǒng)啟動過程中所占的時(shí)間比例越來越不可忽視。如果FPGA設(shè)計(jì)中包含PCIE、SDIO等從設(shè)備，還必須在CPU啟動掃描設(shè)備前就配置完成并進(jìn)入工作態(tài)，這時(shí)FPGA配置的速度尤為關(guān)鍵。實(shí)際應(yīng)用中，每個項(xiàng)目選用的FPGA型號不盡相同，配置的相關(guān)參數(shù)也不同，但是FPGA的從模式配置時(shí)序卻基本一致[1]。為了保證足夠的配置速率和配置模塊的快速移植，針對嵌入式系統(tǒng)中CPU+FPGA的典型應(yīng)用[2]，本文提出了一種基于CPLD+FLASH的通用、快速、全國產(chǎn)化的FPGA配置方案。該方案兼顧靈活性和通用性，對實(shí)際項(xiàng)目具有極大的參考價(jià)值。

1 方案架構(gòu)

方案的系統(tǒng)組成如圖1所示。CPU與CPLD通信一般對速率不敏感，可通過SPI、I2C、LocalBus以及GPIO等簡單接口交互，幾乎每個系統(tǒng)的CPU都滿足條件。CPU不僅可以和CPLD通信，實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)處理等邏輯功能，還可以通過CPLD內(nèi)部的SPI FLASH控制器操作外部FLASH。CPLD讀取FLASH內(nèi)的配置參數(shù)和數(shù)據(jù)，按照從模式配置接口的時(shí)序要求實(shí)現(xiàn)FPGA的配置。

圖1 方案原理架構(gòu)

本方案主要有3個優(yōu)點(diǎn)：

（1）通用性強(qiáng)。硬件設(shè)計(jì)和CPLD邏輯設(shè)計(jì)保持不變，CPU僅僅通過改變FLASH上存儲的數(shù)據(jù)格式，便可以實(shí)現(xiàn)不同F(xiàn)PGA芯片的程序配置，能夠快速應(yīng)用于新項(xiàng)目，縮短項(xiàng)目開發(fā)調(diào)試周期。

（2）配置速度快。CPLD整個配置期間無需CPU干預(yù)，而且可以上電后立即啟動配置[3]，能夠最大程度地減少配置時(shí)間。

（3）靈活性高。支持CPU在線更新FPGA配置文件和配置參數(shù)，實(shí)時(shí)獲取配置狀態(tài)和結(jié)果，方便項(xiàng)目調(diào)試。

本著國產(chǎn)化的產(chǎn)品目標(biāo)，兼顧成本和性能，設(shè)計(jì)中CPLD采用安路公司的ELF2L45。該器件具有4 500個LUT和700 kb的BRAM，足夠?qū)崿F(xiàn)本方案的邏輯功能。FLASH型號選擇兆易創(chuàng)新的GD25Q系列，時(shí)鐘頻率高達(dá)104 MHz，不同存儲大小的型號能做到設(shè)計(jì)兼容。

2 FLASH數(shù)據(jù)存儲格式

當(dāng)前市面上的主流FPGA（Xilinx、intel、安路、高云等）都支持從串、從并的配置方式，且遵循如圖2所示的配置時(shí)序波形。

圖2 FPGA從模式配置典型時(shí)序

不同型號的FPGA配置主要有復(fù)位脈沖時(shí)間T1、等待初始化完成的時(shí)間T2、等待時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間T3、配置文件長度L、比特序bs、字節(jié)序Bs、文件加載后DONE拉高前額外需要的CCLK數(shù)量N1、DONE拉高后啟動完成前額外需要的CCLK數(shù)量N2、配置接口數(shù)據(jù)位寬W等變化因素。

根據(jù)上述配置變量，方案中FLASH內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)格式定義如圖3所示。第0個page用于存儲配置過程的變量，可隨著FPGA配置參數(shù)的變化靈活改變。其中，標(biāo)記定義為常數(shù)，用于識別配置參數(shù)起始位置，并預(yù)留校驗(yàn)和字段，用于驗(yàn)證配置參數(shù)的正確性；文件長度包括配置文件后面的填充數(shù)據(jù)；CPLD在填充數(shù)據(jù)輸出期間繼續(xù)輸出時(shí)鐘和特定的數(shù)據(jù)，保證DONE拉高前FPGA能夠正常進(jìn)入啟動過程；填充數(shù)據(jù)的最小長度PL可按PL=([N1/8]+1)×W計(jì)算。配置接口數(shù)據(jù)位寬W支持1 bit和8 bit兩種，足夠滿足實(shí)際應(yīng)用。

3 CPLD設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 原理框圖

如圖4所示，CPLD主要完成與CPU的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)SPI FLASH控制器和FPGA配置控制等功能。

圖3 FLASH數(shù)據(jù)存儲格式

圖4 CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

主要有5個子模塊。第一，CPU通信接口。按照自定義協(xié)議與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，并進(jìn)行通道的分流和合流。第二，SPI FLASH控制器，實(shí)現(xiàn)CPU和CPLD對外部FLASH的各種命令操作。第三，寄存器讀寫，提供RAM讀寫操作接口。第四，配置控制模塊，負(fù)責(zé)主動發(fā)起FLASH的讀請求和處理讀返回?cái)?shù)據(jù)。第五，從配置接口，完成FPGA從配置時(shí)序的控制。

3.2 SPI FLASH控制器

SPI FLASH控制器支持兩個8 bit的FIFO通道訪問，按數(shù)據(jù)幀的方式仲裁和處理，實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。外部CPU實(shí)現(xiàn)FLASH的擦除、編程以及讀等操作。FLASH編程后置QE位，使能SPI接口的四線模式。CPLD實(shí)現(xiàn)配置期間FLASH數(shù)據(jù)的快速讀取。由于FLASH接口沒有流控，控制器輸入需要做整包處理，保證一幀寫數(shù)據(jù)能夠連續(xù)發(fā)往FLASH?？刂破鬏敵鼍彺嫘桀A(yù)留足夠的空間，保證每次的讀數(shù)據(jù)完整不丟失。命令序列控制主要實(shí)現(xiàn)與FLASH交互的字節(jié)順序。SPI控制器完成并串轉(zhuǎn)換和SPI總線的時(shí)序控制。

圖5 SPI FLASH控制器實(shí)現(xiàn)

為優(yōu)化CPLD資源占用，控制器僅支持讀ID、寫使能、讀寫狀態(tài)寄存器、擦除（扇區(qū)擦除、塊擦除、芯片擦除）、單線/四線讀和頁編程[4]命令。圖6是用安路開發(fā)軟件抓取到的FLASH四線讀操作時(shí)序。波形中可以看到8 bit位寬檢測碼0xBB11220044、同步字0xAA995566等標(biāo)志性字段，讀數(shù)據(jù)是四線傳輸，但是命令、地址和dummy都是單線傳輸?？紤]到該部分時(shí)間開銷，一次操作讀取的數(shù)據(jù)越長效率越高。此外，F(xiàn)LASH的SPI接口時(shí)鐘頻率應(yīng)滿足條件：

圖6 邏輯分析儀捕獲的FLASH四線讀操作波形

3.3 內(nèi)部寄存器

考慮到設(shè)計(jì)的靈活性和調(diào)試的便捷性，CPLD內(nèi)部定義以下5個和配置相關(guān)的通用寄存器。

寄存器1：讀FLASH起始page，默認(rèn)page0。

寄存器2：配置啟動信號，CPLD自清零。

寄存器3：配置結(jié)束標(biāo)志和配置結(jié)果，包含錯誤狀態(tài)。

寄存器4：配置文件長度，從FLASH中讀取的參數(shù)值。

寄存器5：當(dāng)前配置已輸出的數(shù)據(jù)長度。

當(dāng)FLASH上存儲多份配置數(shù)據(jù)時(shí)，可通過寄存器1選擇當(dāng)前配置的版本。如果系統(tǒng)對FPGA上電配置時(shí)間有要求，可以修改寄存器2的默認(rèn)值使能配置啟動。CPLD上電后會立即開始FPGA的配置，不占用CPU的啟動時(shí)間。CPU啟動后還可以寫寄存器2觸發(fā)在線配置。CPLD開始配置后自動清零該寄存器。配置過程中，CPLD實(shí)時(shí)更新寄存器5。CPU任意時(shí)刻都可以讀相應(yīng)的寄存器判斷配置狀態(tài)和進(jìn)度，實(shí)時(shí)獲取配置結(jié)果，定位配置失敗原因，在項(xiàng)目調(diào)試和問題排查中極為方便。

3.4 配置流程

根據(jù)上述原理，CPLD的配置邏輯按照圖7的流程圖設(shè)計(jì)。上電自動啟動配置或者CPU命令啟動配置都會觸發(fā)該流程。每次配置CPLD先主動讀FLASH的控制參數(shù)page，獲取本次配置所需要的參數(shù)，隨后只要緩存空間足夠，就繼續(xù)讀取FLASH的配置數(shù)據(jù)，且地址依次遞增直到累計(jì)讀取長度達(dá)到配置參數(shù)L。讀返回?cái)?shù)據(jù)寫入一個位寬8 bits、深度1 024 words的異步FIFO中。寫入前需根據(jù)bs進(jìn)行比特序調(diào)整，根據(jù)W進(jìn)行位寬轉(zhuǎn)換。從串模式下，F(xiàn)IFO中只有最低比特有效。異步FIFO采用showahead模式，初始化完成再等待T3時(shí)間后開始讀FIFO。只要FIFO非空即讀，同時(shí)將讀數(shù)據(jù)輸出到DATA。讀時(shí)鐘取反后輸出到DCLK，保證時(shí)鐘上升沿處于數(shù)據(jù)最佳采樣窗口。FIFO空時(shí)，DCLK和數(shù)據(jù)都輸出低電平。配置數(shù)據(jù)輸出完成后檢測到DONE拉高，再根據(jù)配置參數(shù)N2繼續(xù)輸出時(shí)鐘，然后結(jié)束本次配置。無論配置是否成功，CPLD都會將配置結(jié)果記錄在寄存器中。

圖7 CPLD內(nèi)部狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意

4 實(shí)測與分析

本文以FPGA型號為復(fù)旦微電子公司的JFM7K325T為例[5]，配置文件約11 MB，F(xiàn)LASH接口的SPI時(shí)鐘頻率fQSPI為50 MHz，每幀讀取一頁，配置接口時(shí)鐘頻率fDCLK為25 MHz，數(shù)據(jù)位寬W為8 bit。

圖8 邏輯分析儀捕獲的CPLD配置過程波形

CPLD完成一次成功的配置需經(jīng)歷圖8中的5個步驟。其中，cfg_timer記錄配置FPGA所消耗的時(shí)間，波形中顯示的是十進(jìn)制；計(jì)數(shù)的時(shí)鐘為25 MHz；CPLD從啟動配置到DONE管腳拉高大約需要522 ms；CPU完全能在BOIS階段掃描到FPGA實(shí)現(xiàn)的從設(shè)備，滿足項(xiàng)目對配置時(shí)間的要求。如果提高SPI時(shí)鐘速率、配置位寬、配置時(shí)鐘頻率和每幀從FLASH讀取的數(shù)據(jù)長度等，配置時(shí)間還可進(jìn)一步縮短。

5 結(jié)語

針對CPU+FPGA的應(yīng)用架構(gòu)，提出一種基于CPLD+FLASH的FPGA配置方案。該方案的硬件和邏輯設(shè)計(jì)通用性高，可以實(shí)現(xiàn)模塊化，便于項(xiàng)目移植且配置速率高，滿足系統(tǒng)啟動要求。CPU還可以靈活更新配置內(nèi)容，調(diào)試和升級方便。該方案具有可行性，已成功應(yīng)用于多個實(shí)際項(xiàng)目，為工程實(shí)踐提供了良好的借鑒。