馮建文，王春

　?。ê贾蓦娮涌萍即髮W(xué) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用所，浙江 杭州 310018）

       摘要：介紹了FPGA遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、工作原理以及遠(yuǎn)程配置，著重介紹FPGA遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置的原理及具體實(shí)現(xiàn)，即在ARM微控制器的主導(dǎo)下，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的傳輸和下載，然后由ARM作為時(shí)序控制器，通過(guò)FPGA的從串(slave serial)配置方式，完成FPGA的遠(yuǎn)程配置。在FPGA配置的同時(shí)，通過(guò)研究配置管腳輸出的波形，來(lái)驗(yàn)證FPGA從串配置模式下的配置原理。

　　關(guān)鍵詞：FPGA；遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；遠(yuǎn)程配置；ARM

0引言

　　近年來(lái)，使用可編程器件 FPGA/CPLD 和 VHDL 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)發(fā)展快速，可編程邏輯器件逐漸取代了傳統(tǒng)通用的中、小規(guī)模集成電路而得到廣泛的應(yīng)用，并且隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，借助在電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要作用的EDA(Electronic Design Automation)軟件，使得FPGA 成為數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理、嵌入式系統(tǒng)等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選方式［1］。同時(shí)隨著嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制也變得越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)，把遠(yuǎn)程控制技術(shù)引入到FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中來(lái)，利用FPGA可重復(fù)編程的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)FPGA實(shí)驗(yàn)操作遠(yuǎn)程執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程共享和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的最大利用。

1FPGA工作原理及配置

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)［2］。以硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速燒錄至FPGA上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代 IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。

　　FPGA利用小型查找表（16×1 RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。在FPGA正常工作時(shí)，配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM單元中，這個(gè)SRAM單元也被稱(chēng)為配置存儲(chǔ)器(Configuration RAM)。由于SRAM是易失性的存儲(chǔ)器，因此FPGA在上電之后，外部電路需要將配置數(shù)據(jù)重新載入到片內(nèi)的配置RAM中［3］。FPGA的配置過(guò)程如下：外部電路將配置數(shù)據(jù)載入片內(nèi)配置RAM中；片內(nèi)配置RAM中的配置數(shù)據(jù)用于控制FPGA內(nèi)部可編程的內(nèi)部邏輯、內(nèi)部寄存器和I/O寄存器初始化、I/O驅(qū)動(dòng)器使能等。配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入用戶模式。在掉電后，F(xiàn)PGA又恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失。

　　FPGA一般有4種配置模式：從串模式（Slave Serial）、主串模式（Master Serial）、從并模式（Slave Parallel/SelectMap）以及邊界掃描模式（Boundary Scan）。配置模式的選擇一般由FPGA芯片上配置模式選擇引腳的輸入電平?jīng)Q定［4］。

　　從串配置模式是指在進(jìn)行配置時(shí)，由外部控制器主導(dǎo)同步時(shí)鐘輸入，將配置數(shù)據(jù)一位一位地加載進(jìn)FPGA；主從配置模式則是在FPGA內(nèi)部同步時(shí)鐘的作用下，將配置數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器按位串行加載到FPGA中；從并模式則是將配置數(shù)據(jù)多位數(shù)據(jù)一起并行輸入；而邊界掃描模式即JTAG配置模式，JTAG模式在開(kāi)發(fā)調(diào)試階段使用。

2基于ARM的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　基于ARM的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程FPGA的實(shí)驗(yàn)操作。用戶通過(guò)該系統(tǒng)，能夠在PC端登錄該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)約FPGA實(shí)驗(yàn)，同時(shí)能夠發(fā)送FPGA控制命令，并且能夠得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為3個(gè)模塊：PC客戶端、服務(wù)器端和ARMFPGA模塊。PC客戶端為用戶提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作接口，服務(wù)器端則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)或命令的發(fā)送和接收，而ARMFPGA模塊則是進(jìn)行控制和執(zhí)行客戶端發(fā)來(lái)的命令，并向服務(wù)器返回實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　2.1PC客戶端

　　客戶端的主要作用是提供用戶操作接口，為用戶提供遠(yuǎn)程操作ARM控制器的界面，方便用戶控制FPGA的配置及相關(guān)的FPGA實(shí)驗(yàn)操作?？蛻舳说脑O(shè)計(jì)主要采用C/C++編程，采用Socket編程模式進(jìn)行配置數(shù)據(jù)的發(fā)送和配置結(jié)果數(shù)據(jù)的返回。

　　2.2服務(wù)器端

　　服務(wù)器是基于FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行。它負(fù)責(zé)FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的調(diào)度管理，給實(shí)驗(yàn)用戶（PC客戶端）分配空閑的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并且需要能連接上百個(gè)ARM客戶端和PC客戶端，作為兩種客戶端之間的信息中轉(zhuǎn)站。同時(shí)，服務(wù)器還負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)進(jìn)行學(xué)生信息、FPGA平臺(tái)信息、預(yù)約記錄和實(shí)驗(yàn)記錄等信息的記錄和更新。

　　2.3ARM客戶端

　　ARM客戶端作為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是與FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的唯一接口，它主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

　?。?）連接服務(wù)器，接收PC客戶端發(fā)來(lái)的指令信息，還需接收存儲(chǔ)FPGA配置執(zhí)行文件。

　?。?）解析指令，調(diào)用程序完成指令。

　?。?）實(shí)現(xiàn)FPGA動(dòng)態(tài)配置，把配置文件加載到FPGA運(yùn)行。

　　（4）連接PC客戶端，實(shí)時(shí)將FPGA相關(guān)引腳的信息發(fā)送到PC客戶端。

　?。?）實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)關(guān)、按鍵的遠(yuǎn)程控制操作。

3FPGA遠(yuǎn)程配置的實(shí)現(xiàn)

　　在本次實(shí)驗(yàn)中，選用ARM9開(kāi)發(fā)板+FPGA實(shí)驗(yàn)板來(lái)完成FPGA遠(yuǎn)程配置的具體實(shí)現(xiàn)。其中ARM控制器采用以ARM9為處理器的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。ARM9開(kāi)發(fā)板支持網(wǎng)絡(luò)接口連接，并且成功地移植了Linux 2.6.30內(nèi)核操作系統(tǒng)以及相應(yīng)的文件系統(tǒng)，為Socket網(wǎng)絡(luò)編程和ARM客戶端的軟件實(shí)現(xiàn)與執(zhí)行提供了良好的Linux環(huán)境。FPGA則使用為計(jì)算機(jī)組成原理所設(shè)計(jì)的FPGA實(shí)驗(yàn)板卡，該實(shí)驗(yàn)板卡所用的FPGA芯片為Xilinx生產(chǎn)的Spartan-6系列芯片，并將其專(zhuān)用的配置接口引出，方便后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作。

　　3.1配置文件

　　本設(shè)計(jì)所用的FPGA的配置數(shù)據(jù)格式為.bin格式，是由Xilinx的FPGA設(shè)計(jì)工具ISE軟件產(chǎn)生的FPGA配置數(shù)據(jù)的一種格式，也是進(jìn)行Spartan-6系列芯片進(jìn)行從串配置的配置數(shù)據(jù)格式。在PC客戶端可通過(guò)Socket編程配置引腳

　　將文件由網(wǎng)絡(luò)傳送至ARM控制器客戶端。

　　3.2配置電路

　　Spartan-6配置引腳如圖2所示，各個(gè)引腳的功能如表1所示。表1FPGA配置引腳說(shuō)明引腳名類(lèi)型說(shuō)明M［1:0］輸入模式選擇引腳，決定FPGA的配置模式CCLK輸入/輸出除JTAG配置模式外其他配置模式的同步時(shí)鐘源DIN輸入串行配置數(shù)據(jù)輸入引腳，同步于時(shí)鐘的上升沿DOUT輸出用于菊花鏈配置器件后面的器件配置數(shù)據(jù)的串行輸入DONE輸出高電平表示配置完成，低電平表示配置失敗INIT_B輸入/輸出在配置模式選擇完成前，拉低該引腳電平表示延遲配置；配置模式選擇完成后，該引腳的電平輸出表示配置有無(wú)發(fā)生CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤：

　　0=CRC error

　　1=No CRC errorPROGRAM_B輸入低電平輸入使芯片復(fù)位

　　3.3配置流程

　　Spartan-6芯片的配置時(shí)序如圖3所示，先給PROGRAM_B引腳一個(gè)低電平信號(hào)，然后再恢復(fù)高電平，檢測(cè)INIT_B引腳電平信號(hào)，如果其電平信號(hào)也隨著PROGRAM_B而變化，則表明FPGA內(nèi)部配置已經(jīng)完成初始化，可以進(jìn)行FPGA配置了。接下來(lái)在ARM輸入到FPGA的DCLK引腳的信號(hào)的同步下，按位加載配置數(shù)據(jù)，直到加載完配置數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到DONE引腳信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表明FPGA已經(jīng)完成配置，進(jìn)入到工作狀態(tài)了。其配置程序的流程圖如圖4所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，將FPGA的配置引腳DIN、CCLK、INIT_B、DONE、PROGRAM_B連接到ARM開(kāi)發(fā)板的I/O引腳上，同時(shí)注意ARM開(kāi)發(fā)板和FPGA實(shí)驗(yàn)板卡要共地，將ARM開(kāi)發(fā)板接上網(wǎng)線，供電并啟動(dòng)后，通過(guò)PC客戶端進(jìn)行配置文件的傳輸和加載，當(dāng)配置完成后返回客戶端“config done！”則表示配置完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示如圖5所示。

　　為了得到配置過(guò)程中DIN引腳和CCLK引腳的數(shù)據(jù)，在程序中進(jìn)行了配置數(shù)據(jù)輸出，并用示波器捕捉到這兩個(gè)引腳的輸出波形，如圖6所示。由圖可以看出，在一個(gè)配置循環(huán)中，ARM控制器是按字節(jié)進(jìn)行位傳輸?shù)?，每個(gè)字節(jié)8位數(shù)據(jù)，在每輸入一個(gè)時(shí)鐘過(guò)程中，輸入一位配置數(shù)據(jù)，直至加載完所有配置數(shù)據(jù)，完成FPGA的配置。

5結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)獨(dú)立模塊的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)總體功能，而且ARM控制器的一些操作命令是通過(guò)串口進(jìn)行命令傳輸實(shí)現(xiàn)的。在接下來(lái)的FPGA遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將完全通過(guò)單網(wǎng)線進(jìn)行ARM所有操作命令的實(shí)現(xiàn)，并且不僅能完成FPGA的遠(yuǎn)程配置，還能完成FPGA的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)——遠(yuǎn)端實(shí)、近端虛的遠(yuǎn)程FPGA實(shí)驗(yàn)，即在客戶端電腦上完成界面上開(kāi)關(guān)、按鍵等操作，這些操作命令通過(guò)網(wǎng)線傳遞到ARM端，控制FPGA相關(guān)引腳的輸入高低電平，并返回相關(guān)引腳的輸出電平，在客戶端電腦上通過(guò)LED或數(shù)碼管來(lái)顯示該引腳電平的高低。

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