ARM设计的FPGA可重构配置方法的实现及应用
摘要：文中详述了fpga被动串行配置方式的时序，给出配置流程图及实现的程序代码，并通过实例验证了该方法的优越性及应用前景．通过介绍fpga的各种配置方式，提出了一种基于arm处理器的fpga动态配置方法，充分利用arm处理器功能强、速度快、应用广的特点，结合fpga重配置特性，实现了对fpga的动态配置．
随着半导体工艺技术的迅猛发展，现场可编程逻辑器件fpga的集成度迅速提高，已达到百万门量级，与此同时，fpga中的逻辑资源也日益丰富，使得基于fpga的片上系统设计成为可能．基于fpga的片上系统设计因其具有开发周期短，设计成本低，软硬件可编程，系统设计灵活、可裁减、可扩充、可升级等优点正在成为电子系统设计的研究热点，且已经在通讯、工控等领域得到实际应用．
目前fpga从实现技术上进行分类，可以分为基于查找表(lut，k—up table)技术，sram工艺的fpga、基于nash技术的fpga和基于反熔丝(anti—fuse)技术的fpga，而使用最多的还是基于sram工艺的fpga，如altem的cycl0ne和s tix系列、xilin)【的spanan和virtex系列．基于sram 的fpga片内带有存储配置位流的sram，上电时，将存储在专用配置芯片中的配置信息加载到fpga中，从而实现一定的逻辑功能，掉电时片内sram中的配置数据遗失，需要下一次加电时重新加载配置．这种片内易失存储器存储配置数据的结构，使得fpga可以在线动态的对其sram中的配置数据进行更新，从而实现电路逻辑功能动态改变．系统可重构主要就是利用基于sram的fpga这种动态重配置特性才得以实现的，下面就以altem公司cyclone ii系列fpga分析其配置方式及其可重构应用．
1 可重构配置方法
根据fpga在配置过程中的角色可把cyclone ii系列fpga的配置方式分为三种：fpga主动串行(as)方式、fpga被动串行(ps)方式和jatg方式．不同配置模式通过配置模式选择管脚msel[1：0]进行选择，其中msel[1：0]=o0时选择as模式，msel[1：o]=01时选择ps模式，对于某些串行配置器件当msel[1：0]=l0时为快速as模式，配置速度比ps模式快一倍．cyclone ii系列fpga支持配置数据自解压，将压缩的配置数据存储在配置器件或其它存储器中，配置时传送压缩的位流数据到fpga中，fpga可实时的解压缩并对内部sram进行编程，配置数据的压缩比例可达35％-5o％ ，可有效节省配置存储空间．
在as方式下，由fpga主动输出控制和同步信号给专用串行配置芯片，配置芯片接收到配置命令后，就开始将配置数据串行的发送至fpga，完成配置工作．目前常用的专用串行配置芯片为容量为4 mb的epcs4和16 mb的epcs16等．as配置模式主要用到四个信号：串行数据输入dclk、控制信号输入asdi、片选信号ncs和串行数据输出data．
在ps方式下，由系统中其它设备发起配置过程，fpga在配置过程中只输出应答信号，发起控制配置过程的设备可以是处理器、altem epc系列配置芯片、cpld等功能设备．在下一小节将对ps配置方式做详细的介绍．jtag调试接口已经作为一个标准接口集成在芯片内，主要用于芯片的测试，cycl0ne ii系列fpga都支持jtag方式对fpga进行配置，jrrag方式具有比其它配置方式都高的优先级．jri'ag接口定义了四个标准信h号：
● ri℃k测试时钟，各种信号都需要与测试时钟同步；
● tdi测试数据输入，测试数据串行输入，数据在tck上升沿传送；
● tdo测试数据输出，测试数据串行输出，数据在tck下降沿传送；
●tms测试模式选择，决定jtag电路内部tap控制器状态机的变化．
2 基于arm的配置方法及实现
2．1 ps配置原理
如图l所示，利用s3c2410x作为主控制器采用被动串行方式对ep2c20内部逻辑进行重构．fpga的ps配置方式是比较常用的一种配置方式，可以有效实现fpga的在线配置，其基本流程为：在系统中将fpga被动配置方式配置接口与arm处理器的io管脚相连，在处理器端通过软件控制相应管脚的高低电平将数据串行的发送到fpga中．重构程序运行在arm处理器中作为实时系统的一个任务，当需要重配fpca内部逻辑时，调用相应任务，配置完成后，删除当前任务即可，因此，可将预先建立的配置文件库存储到arm的nash中，由arm处理器中运行的配置程序来完成动态重构任务。fpga与ps配置方式有关的管脚功能如表l所示：
整个配置过程几个关键信号的时序图如图2所示，配置过程可以分为复位、配置和初始化三个阶段：
在复位阶段，微处理器首先在nc0nfig信号线上产生一个宽度大于8 s的负脉冲，然后开始检测nstatus信号的状态．fpga检测到nconfig信号的下降沿后会迫使nstatus和conf—done信号拉低，使fpga处于复位状态，当nconfig变为高电平时，fpga退出复位状态，释放漏级开路的nstatus管脚，nstatus在外部需要被l0 k的上拉电阻拉高，nstatus管脚变为高电平后，fpga即进人配置阶段，此时，fpga已做好了接收配置数据的准备．
fpga的nstatus管脚变高后，延时5 s左右，在dclk的上升沿fpga即可从da l0管脚串行的接收配置数据，配置数据按低位在先高位在后的顺序从数据线上送出．当所有数据都接收完后释放漏级开路的config— done管脚，config—done管脚在外部需要被10 k的上拉电阻拉高，config—done管脚由低到高的跳变表明配置阶段结束，fpga进入初始化阶段．如果在配置过程中出现错误，则n ratus管脚将输出低电平，fpga在内部自动复位，处理器可以通过查询ns1iatus管脚状态判断在配置过程中是否有错误发生，如果nstatus管脚在配置过程中变低则表明有错误发生，如果在软件中设置了错误发生后自动重新开始配置选项则fpca会延时一段时间后释放nstatus，此时nstatus被外部上拉电阻拉高，cpu在nsta—tus上检测到一个由低到高的跳变后重新开始配置．若软件中未设置“错误发生后自动重新开始配置”选项则需要cpu首先将nconfic管脚置低再拉高以开始重新配置．
在初始化阶段，初始化时钟可以是fpga内部时钟或外部由clkusr管脚提供的时钟，本例使用了fpga内部时钟，fpga将为初始化提供时钟，这样，初始化阶段不再需要外部时钟．初始化阶段完成后init—done管脚变为高电平，指示fpga成功进人用户模式，配置过程结束．需要注意的是，若此时conf—done或init_done未变为高电平，则表明此次配置过程不成功，需要cpu重新进行配置．
2．2 配置程序设计
下面是完整的重构程序及流程图(图3所示)，作为s3c24lox arm处理器 μc／os—ii实时操作系统的一个任务运行，但在工程应用中要结合实际情况做适当修改．
基于μc／os—ii配置程序：
u8fpga～download(v0id)
{u8 bootaddr；
u32 countnum =o柏：
u8 fpgabu如；
u16 i：
bo0taddt：(u8 )(o】(33ooooo0)；／ 配置数据起始地址 ／
sei— datao(o)；
selnconfig(0)；／_将nconfig置低电平 ／
set— dclk(o)；
hude1ay(10)；／}延时1o ／
if(re们一nstatus)
{prin (”err0r：nstatusis 1 1”)；
retum o；}
set— nc0nfig(1)；
while(!read—nstatus)；
hudelay(5)；
p nd(”十co gilre fpga．-)；
while(c0untnum <=o)(24294)／}串行配置数据 ／
{fpgabu任er= (bo0t＆ddt+c0un um)；
if(!(countnum％1o24))pdnd(”．”)；
f0r(．_o；i > = 1；
if(!reaⅱ一ns1、atus)
{ nef(”＼n、卜c0 gure error：nstatus is 0 1、n )；
ren】m o；}
set— dclk(1)；
}
c0untnum + + ：
}
sei— datao(o)；
s ei— dclk(o)；
if(!reau—nstatus)
{p ntf(”、n＼r—configure ermr：nsratus is o!、n、r )；
retum o；}}
else if(read—nc0nf—done)
{p ntf(”＼n＼卜-co gure success! 、n )；}
fnr(i=o；i(5o；i++)／ 初始化 ／
{set—dclk(1)；
hudeiay(1)；
set— dclk(o)；
hude1．dy(1)；} 、
if(!read—nc0nf—d0ne)
{printf(”、r＼n—configure en r：nco f—done is 0 1”)；
retum 0：}
retum l：
{
3 可重构配置应用
结合上述可重构配置分析，我们利用了fpga可重构特性，实现模块化机器人控制器的设计．模块化机器人结构复杂，控制电机数量多，而且针对不同构形控制策略也有差别，如四自由度串联式机器手构形和全向移动小车构形(图4所示)从控制策略到控制电机数量都有很大的不同，这就要求控制器可以根据不同构形动态的改变控制策略，也即控制器的可重构．为此，在模块化机器人可重构控制模块结构设计中，提出基于arm和fpga的动态可重构的模块化机器人控制系统方案，充分利用嵌入式arm核微处理器高性能、低功耗、资源丰富等方面的性能和fpga内部逻辑可重构的特性，由主处理器根据机器人当前构形选择不同的控制策略并对fpga内部逻辑进行动态重配，以适应不同构形及应用的需要．结构设计框图如图5所示。
arm模块选用s3c241ox运行 c／os—ii实时操作系统，负责运行控制软件，完成模块化机器人运动规划，实时监控系统运行状态，实现人机交互功能及对fpga内部逻辑实时重构．fpga内部运行软核处理器，负责与模块化机器人运动控制相关的任务，如舵机控制、直流电机控制、系统io控制、传感器数据采集等任务．
对fpga配置采用上述基于arm的ps配置方法，平台充分利用了fpca内部逻辑可重构的特性，可组成多种不同构形，不同构形具有不同的物理结构和控制方式，以满足不同任务需求．其重构方法采用：
(1)根据具体构形规划系统硬件资源种类，如构形需要的直流电机数量、舵机数量、系统i／，o数量以及各种传感器的数目．
(2)根据硬件资源种类修改fpca内部逻辑，实现硬件层次的“重构”．
(3)根据fpga逻辑的变化，进行软件的开发，实现软件层次的“重构”．
(4)将fpga配置文件下载到arm的存储器中，系统上电后，arm结合需求通过读取相应存储区的配
置文件对fpga进行配置，实现控制系统的动态重构．
经过实验验证，利用arm的实时处理功能，对fpga内部逻辑进行动态重配，所设计的控制平台可以满足可重构配置的性能要求．
4 结语
文中给出了基于arm的fpga的ps加载配置方案，该方法电路结构简单、易于实现，充分利用arm处理器功能强、速度快、应用广的特点，在系统中可预先包含多个不同功能的配置文件，根据现场的需要进行相应的配置，实现在线更新fpga功能，既节省了开发成本，又满足了一些特殊的系统设计要求，也充分显示出fpga现场升级、灵活运用的设计理念，方案的提出，对嵌人式数字系统设计具有相当的借鉴意义．
探讨人工智能硬件发展和人工智能基础设施的发展趋势
氧饱夹语音芯片，内置功放直推喇叭输出，低成本语音IC，WTN6系列
什么是饱和变压器？饱和变压器的特点有哪些？饱和变压器的应用场景？
电子产品中的电磁发射和磁场干扰的产生机理分析
关于HDI板与普通PCB的区别
ARM设计的FPGA可重构配置方法的实现及应用
ARCH电源模块DC-DC转换器规格
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整体来看目前中国的乘用车的需求
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AI+视觉技术，将给城市带来怎样的改变
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2021年各省市5G规划是怎样的?
关于系统设计的辅助分析和优势介绍
随着半导体工艺技术的迅猛发展，现场可编程逻辑器件fpga的集成度迅速提高，已达到百万门量级，与此同时，fpga中的逻辑资源也日益丰富，使得基于fpga的片上系统设计成为可能．基于fpga的片上系统设计因其具有开发周期短，设计成本低，软硬件可编程，系统设计灵活、可裁减、可扩充、可升级等优点正在成为电子系统设计的研究热点，且已经在通讯、工控等领域得到实际应用．
目前fpga从实现技术上进行分类，可以分为基于查找表(lut，k—up table)技术，sram工艺的fpga、基于nash技术的fpga和基于反熔丝(anti—fuse)技术的fpga，而使用最多的还是基于sram工艺的fpga，如altem的cycl0ne和s tix系列、xilin)【的spanan和virtex系列．基于sram 的fpga片内带有存储配置位流的sram，上电时，将存储在专用配置芯片中的配置信息加载到fpga中，从而实现一定的逻辑功能，掉电时片内sram中的配置数据遗失，需要下一次加电时重新加载配置．这种片内易失存储器存储配置数据的结构，使得fpga可以在线动态的对其sram中的配置数据进行更新，从而实现电路逻辑功能动态改变．系统可重构主要就是利用基于sram的fpga这种动态重配置特性才得以实现的，下面就以altem公司cyclone ii系列fpga分析其配置方式及其可重构应用．
1 可重构配置方法
根据fpga在配置过程中的角色可把cyclone ii系列fpga的配置方式分为三种：fpga主动串行(as)方式、fpga被动串行(ps)方式和jatg方式．不同配置模式通过配置模式选择管脚msel[1：0]进行选择，其中msel[1：0]=o0时选择as模式，msel[1：o]=01时选择ps模式，对于某些串行配置器件当msel[1：0]=l0时为快速as模式，配置速度比ps模式快一倍．cyclone ii系列fpga支持配置数据自解压，将压缩的配置数据存储在配置器件或其它存储器中，配置时传送压缩的位流数据到fpga中，fpga可实时的解压缩并对内部sram进行编程，配置数据的压缩比例可达35％-5o％ ，可有效节省配置存储空间．
在as方式下，由fpga主动输出控制和同步信号给专用串行配置芯片，配置芯片接收到配置命令后，就开始将配置数据串行的发送至fpga，完成配置工作．目前常用的专用串行配置芯片为容量为4 mb的epcs4和16 mb的epcs16等．as配置模式主要用到四个信号：串行数据输入dclk、控制信号输入asdi、片选信号ncs和串行数据输出data．
在ps方式下，由系统中其它设备发起配置过程，fpga在配置过程中只输出应答信号，发起控制配置过程的设备可以是处理器、altem epc系列配置芯片、cpld等功能设备．在下一小节将对ps配置方式做详细的介绍．jtag调试接口已经作为一个标准接口集成在芯片内，主要用于芯片的测试，cycl0ne ii系列fpga都支持jtag方式对fpga进行配置，jrrag方式具有比其它配置方式都高的优先级．jri'ag接口定义了四个标准信h号：
● ri℃k测试时钟，各种信号都需要与测试时钟同步；
● tdi测试数据输入，测试数据串行输入，数据在tck上升沿传送；
● tdo测试数据输出，测试数据串行输出，数据在tck下降沿传送；
●tms测试模式选择，决定jtag电路内部tap控制器状态机的变化．
2 基于arm的配置方法及实现
2．1 ps配置原理
如图l所示，利用s3c2410x作为主控制器采用被动串行方式对ep2c20内部逻辑进行重构．fpga的ps配置方式是比较常用的一种配置方式，可以有效实现fpga的在线配置，其基本流程为：在系统中将fpga被动配置方式配置接口与arm处理器的io管脚相连，在处理器端通过软件控制相应管脚的高低电平将数据串行的发送到fpga中．重构程序运行在arm处理器中作为实时系统的一个任务，当需要重配fpca内部逻辑时，调用相应任务，配置完成后，删除当前任务即可，因此，可将预先建立的配置文件库存储到arm的nash中，由arm处理器中运行的配置程序来完成动态重构任务。fpga与ps配置方式有关的管脚功能如表l所示：
整个配置过程几个关键信号的时序图如图2所示，配置过程可以分为复位、配置和初始化三个阶段：
在复位阶段，微处理器首先在nc0nfig信号线上产生一个宽度大于8 s的负脉冲，然后开始检测nstatus信号的状态．fpga检测到nconfig信号的下降沿后会迫使nstatus和conf—done信号拉低，使fpga处于复位状态，当nconfig变为高电平时，fpga退出复位状态，释放漏级开路的nstatus管脚，nstatus在外部需要被l0 k的上拉电阻拉高，nstatus管脚变为高电平后，fpga即进人配置阶段，此时，fpga已做好了接收配置数据的准备．
fpga的nstatus管脚变高后，延时5 s左右，在dclk的上升沿fpga即可从da l0管脚串行的接收配置数据，配置数据按低位在先高位在后的顺序从数据线上送出．当所有数据都接收完后释放漏级开路的config— done管脚，config—done管脚在外部需要被10 k的上拉电阻拉高，config—done管脚由低到高的跳变表明配置阶段结束，fpga进入初始化阶段．如果在配置过程中出现错误，则n ratus管脚将输出低电平，fpga在内部自动复位，处理器可以通过查询ns1iatus管脚状态判断在配置过程中是否有错误发生，如果nstatus管脚在配置过程中变低则表明有错误发生，如果在软件中设置了错误发生后自动重新开始配置选项则fpca会延时一段时间后释放nstatus，此时nstatus被外部上拉电阻拉高，cpu在nsta—tus上检测到一个由低到高的跳变后重新开始配置．若软件中未设置“错误发生后自动重新开始配置”选项则需要cpu首先将nconfic管脚置低再拉高以开始重新配置．
在初始化阶段，初始化时钟可以是fpga内部时钟或外部由clkusr管脚提供的时钟，本例使用了fpga内部时钟，fpga将为初始化提供时钟，这样，初始化阶段不再需要外部时钟．初始化阶段完成后init—done管脚变为高电平，指示fpga成功进人用户模式，配置过程结束．需要注意的是，若此时conf—done或init_done未变为高电平，则表明此次配置过程不成功，需要cpu重新进行配置．
2．2 配置程序设计
下面是完整的重构程序及流程图(图3所示)，作为s3c24lox arm处理器 μc／os—ii实时操作系统的一个任务运行，但在工程应用中要结合实际情况做适当修改．
基于μc／os—ii配置程序：
u8fpga～download(v0id)
{u8 bootaddr；
u32 countnum =o柏：
u8 fpgabu如；
u16 i：
bo0taddt：(u8 )(o】(33ooooo0)；／ 配置数据起始地址 ／
sei— datao(o)；
selnconfig(0)；／_将nconfig置低电平 ／
set— dclk(o)；
hude1ay(10)；／}延时1o ／
if(re们一nstatus)
{prin (”err0r：nstatusis 1 1”)；
retum o；}
set— nc0nfig(1)；
while(!read—nstatus)；
hudelay(5)；
p nd(”十co gilre fpga．-)；
while(c0untnum <=o)(24294)／}串行配置数据 ／
{fpgabu任er= (bo0t＆ddt+c0un um)；
if(!(countnum％1o24))pdnd(”．”)；
f0r(．_o；i > = 1；
if(!reaⅱ一ns1、atus)
{ nef(”＼n、卜c0 gure error：nstatus is 0 1、n )；
ren】m o；}
set— dclk(1)；
}
c0untnum + + ：
}
sei— datao(o)；
s ei— dclk(o)；
if(!reau—nstatus)
{p ntf(”、n＼r—configure ermr：nsratus is o!、n、r )；
retum o；}}
else if(read—nc0nf—done)
{p ntf(”＼n＼卜-co gure success! 、n )；}
fnr(i=o；i(5o；i++)／ 初始化 ／
{set—dclk(1)；
hudeiay(1)；
set— dclk(o)；
hude1．dy(1)；} 、
if(!read—nc0nf—d0ne)
{printf(”、r＼n—configure en r：nco f—done is 0 1”)；
retum 0：}
retum l：
{
3 可重构配置应用
结合上述可重构配置分析，我们利用了fpga可重构特性，实现模块化机器人控制器的设计．模块化机器人结构复杂，控制电机数量多，而且针对不同构形控制策略也有差别，如四自由度串联式机器手构形和全向移动小车构形(图4所示)从控制策略到控制电机数量都有很大的不同，这就要求控制器可以根据不同构形动态的改变控制策略，也即控制器的可重构．为此，在模块化机器人可重构控制模块结构设计中，提出基于arm和fpga的动态可重构的模块化机器人控制系统方案，充分利用嵌入式arm核微处理器高性能、低功耗、资源丰富等方面的性能和fpga内部逻辑可重构的特性，由主处理器根据机器人当前构形选择不同的控制策略并对fpga内部逻辑进行动态重配，以适应不同构形及应用的需要．结构设计框图如图5所示。
arm模块选用s3c241ox运行 c／os—ii实时操作系统，负责运行控制软件，完成模块化机器人运动规划，实时监控系统运行状态，实现人机交互功能及对fpga内部逻辑实时重构．fpga内部运行软核处理器，负责与模块化机器人运动控制相关的任务，如舵机控制、直流电机控制、系统io控制、传感器数据采集等任务．
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(1)根据具体构形规划系统硬件资源种类，如构形需要的直流电机数量、舵机数量、系统i／，o数量以及各种传感器的数目．
(2)根据硬件资源种类修改fpca内部逻辑，实现硬件层次的“重构”．
(3)根据fpga逻辑的变化，进行软件的开发，实现软件层次的“重构”．
(4)将fpga配置文件下载到arm的存储器中，系统上电后，arm结合需求通过读取相应存储区的配
置文件对fpga进行配置，实现控制系统的动态重构．
经过实验验证，利用arm的实时处理功能，对fpga内部逻辑进行动态重配，所设计的控制平台可以满足可重构配置的性能要求．
4 结语
文中给出了基于arm的fpga的ps加载配置方案，该方法电路结构简单、易于实现，充分利用arm处理器功能强、速度快、应用广的特点，在系统中可预先包含多个不同功能的配置文件，根据现场的需要进行相应的配置，实现在线更新fpga功能，既节省了开发成本，又满足了一些特殊的系统设计要求，也充分显示出fpga现场升级、灵活运用的设计理念，方案的提出，对嵌人式数字系统设计具有相当的借鉴意义．
探讨人工智能硬件发展和人工智能基础设施的发展趋势
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什么是饱和变压器？饱和变压器的特点有哪些？饱和变压器的应用场景？
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AI+视觉技术，将给城市带来怎样的改变
LTC4274-Single IEEE 802.3at Po
赛普拉斯借助全新的802.11ac解决方案拓展其在无线连接领域的领导地位，为该解决方案在物联网设备中的大规
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