基于SPI FLASH的FPGA多重配置 存储器, FLASH, 程序, 规模, 开发

yuyang911220

现代硬件设计规模逐渐增大，单个程序功能越来越复杂，当把多个功能复杂的程序集成到一个FPGA上实现时，由于各个程序的数据通路及所占用的资源可能冲突，使得FPGA控制模块的结构臃肿，影响了整个系统工作效率。

通过FPGA的多重配置可以有效地精简控制结构的设计，同时可以用逻辑资源较少的FPGA器件实现需要很大资源才能实现的程序。以Virtex5系列开发板和配置存储器SPI FLASH为基础，从硬件电路和软件设计两个方面对多重配置进行分析，给出了多重配置实现的具体步骤，对实现复杂硬件设计工程有一定的参考价值。

0引言

现代硬件程序设计规模越来越大，功能越来越复杂，当多个应用程序同时在一个硬件平台上实现时，各个程序的资源使用和数据通路可能会冲突，这增加了控制电路设计的复杂程度，给开发人员增加了工作量和开发难度。通过多重配置，可以将多个应用程序根据需要分时加载到FPGA中，不仅精简了电路设计，而且使系统更加灵活。FPGA多重配置的特点可以让特定条件下的用户选择片上资源不多的FPGA去实现需要很多资源FPGA才能实现的功能，这大大降低了开发费用，同时提高了FPGA的利用率。

Xilinx公司Virtex5系列的FPGA具有多重配置的特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，可以从FLASH中贮存的多个比特文件选择加载其中的一个，实现系统功能的变换。

1总体设计

当FPGA完成上电自动加载初始化的比特流后，可以通过触发FPGA内部的多重启动事件使得FPGA从外部配置存储器（SPI FLASH）指定的地址自动下载一个新的比特流来重新配置。FPGA的多重配置可以通过多种方式来实现。本文采用的是基于ICAP核的状态机编码方式。通过调用Xilinx自带的ICAP核，编写状态机按照一定的指令流程对ICAP核进行不断的配置，可以控制FPGA重新配置。这种方式可以在源代码中加很多注释，让后来的开发者很清楚地明白ICAP核指令流顺序，以及多重配置地址计算方法，是一种简单实用的实现方法。

1.1硬件电路

多重配置的硬件主要包括FPGA板卡和贮存配置文件的FLASH芯片。FPGA选用XILINX公司Virtex-5系列中的ML507，该产品针对FPGA多重配置增加了专用的内部加载逻辑。FLASH芯片选用XILINX公司的SPI FLASH芯片M25P32，该芯片存贮空间为32 Mb，存贮文件的数量与文件大小以及所使用的FPGA芯片有关。实现多重配置首先要将FPGA和外部配置存储器连接为从SPI FLASH加载配置文件的模式。配置电路硬件连接框图如图1所示。


在FPGA配置模式中，M2，M1，M0为0，0，1，这种配置模式对应边界扫描加上拉，FPGA在这种模式下所有的I/O只在配置期间有效。在配置完成后，不用的I/O将被浮空[5].M2，M1，M0三个选择开关对应于ML507开发板上的SW3开关中的4，5，6位，在FPGA上电之前将上述开关拨为0，0，1状态。

1.2软件设计

从软件设计的角度可以将FPGA多重配置主要分为两个部分。第一部分是用户自己开发的程序，这一部分包括用户要在FPGA上边实现的功能，同时也包括为重载模块提供时钟信号，以及触发信号，本文触发信号是通过用户程序编写串口通信协议栈来接收PC端传输的数字作为触发信号。第二部分是FPGA重载配置模块。FPGA多重配置首先要调用ICAP核，当满足触发条件后，采用状态机编码的方式对ICAP核进行赋值配置。FPGA多重配置的软件结构图如图2所示。


FPGA多重配置的软件结构图如图2所示。

重载模块首先要调用ICAP核。ICAP原语在Xilinx的编译软件ISE中调用，调用路径为Edit→LanguageTemplates，VHDL/Verilog→Device Primitive Instantia-tion→Virtex5FPGA→Config/BSCAN Components→In-ternal Config Access Por（t ICAP_VIRTEX5）。

ICAP_VIRTEX5调用接口如下：


ICAP核支持X8，X16，X32三种数据带宽模式。在整个FPGA重配置的过程中并没有用到ICAP核的输出，因此在重载模块的状态机控制程序中不关注BUSY，O信号的值，可以不对它们赋值。用户程序在使用接口时只需对CE，CLK，I，WRITE4个信号不断赋值来发送命令。

在调用了ICAP核接口之后，通过Verilog编码的方式实现状态机。通过状态机发送IPROG指令给ICAP核，ICAP核在接收到这些指令后会根据指定的地址自动加载配置文件。

IPROG指令的作用是对FPGA芯片进行复位操作，该复位操作对FPGA内部的应用程序进行复位，复位过程中除专用配置管脚和JTAG管脚，其他输入/输出管脚均为高阻态。完成复位操作后，将默认的加载地址用热启动地址寄存器（Warm Boot Start Address，WB-STAR）中的新地址替换。

在发送IPROG指令之前，需要对ICAP核进行预配置。重载控制模块在收到触发信号后，第一个时钟周期将ICAP核的WRITE信号和CE信号置高，第二个周期将WRITE信号置底，CE信号置高，第三个周期将WRITE信号置底，CE信号也置底。接着在下面的8个时钟周期里，将指令队列中的控制命令逐个发出。状态机指令流程如图3所示。


在状态机发送IPROG指令的过程中，为了保证ICAP核接收到正确的指令，每一个发送出去的命令和数据必须遵循SelectMAP数据顺序。SelectMAP数据顺序是将每个指令都按字节划分，划分后每个字节的数据都按比特位翻转。如果为“X32”模式，则划分为4个字节，每个字节进行位翻转。图4以“X16”为例说明Se-lectMAP数据顺序。