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        基于FPGA的現Nios II嵌入式系統配置文件下載更新方法介紹

        2020年01月21日 17:10 ? 次閱讀

        現場可編程門陣列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是一種高密度可編程邏輯器件,其邏輯功能是通過把設計生成的數據文件配置進芯片內部的靜態配置數據存儲器(SRAM )來實現的,具有可重復編程性,可以靈活實現各種邏輯功能。由于FPGA器件采用的是SRAM 工藝,在斷電的情況下FPGA內的配置數據將丟失。所以,在典型的采用FPGA器件的電子系統中通常將FPGA 的配置數據存放于其兼容的SPROM 中,上電時由控制電路將SPROM中的配置數據裝入FPGA器件中。但是通常的SPROM價格昂貴,且是一次性,不利于FPGA程序的更新,所以有必要分析FPGA 的配置原理,采用廉價、能重復使用的方式配置FPGA。

        本文主要根據Altera公司手冊及以前的經驗,設計和完成了一種新的FPGA配置文件下載更新的方法。其主要原理是在每次啟動系統時,由配置控制器從Flash中讀出FPGA配置文件,再下載到FPGA中以完成器件的配置功能。當系統需要升級更新FPGA配置文件時,可通過網絡或者由主機通過JTAG(Joint Test Action Group)接口(未聯網時)將配置文件發送給基于Nios II處理器的嵌入式系統中,由Nios II處理器更新系統中的Flash。當Flash內容更新后,系統就可實現在加電時由配置控制器自動將配置文件下載到FPGA中。而配置控制器是采用復雜可編程邏輯器件(CPLD,Complex Programmable Logic Device),主要功能是實現并串轉換。這樣在不需要任何硬件動作和專業軟件的情況下,只需要進行常規軟件操作就可以更新FPGA的配置文件。不僅節約了成本,還有效地縮小了系統體積,有利于以后系統工程的升級更新。

        1 基于Nios II的嵌入式系統簡介

        Nios II是Altera公司在第一代軟核處理器Nios的基礎上于2004年5月為其FPGA產品配套開發的軟核CPU。Nios II是一種采用流水線技術、單指令流的基于RISC技術的通用嵌入式軟核處理器、哈佛體系結構,地址、數據、指令均為32位,最高性能可達到200DMIPS (Dhrystones MIPS)。Nios II系統中的外設具有可配置性,用戶可根據實際應用來裁剪,并且Nios II處理器有很好的自定義指令支持,大部分指令均可以在一個時鐘周期內完成,這也是可配置處理器的優勢所在。Nios II在邏輯功能上是32位的精簡指令集CPU;而在實現方式上,它是在FPGA上通過編程方式實現的,這也是與傳統的CPU一個根本差別。Nios II的總線方式也采用了一種簡單的總線體系結構——Avalon總線。該軟核CPU為可編程片上系統SOPC給用戶提供了一套綜合解決方案,它可以與用戶自定義邏輯結合構成SOC系統,并下載到Altera的FPGA 芯片中,使得FPGA在嵌入式系統領域的地位越來越重要。

        基于Nios II的嵌入式系統主要實現了絞線式列車總線(WTB,Wire Train Bus) 網絡節點機的功能,該系統是基于SOPC技術,首先定制Nios II的嵌入式CPU、必要的外部和相關配置的芯片,然后按照WTB標準和Nios II特有的Avalon總線接口設計并通過VHDL實現MAU的功能,由Nios II來控制WTB網絡通信功能?;贜ios II嵌入式軟核WTB網絡節點機硬件體系結構主要由FPGA、Flash nemory、SSRAM Memory、MAX7000配置控制器等硬件組成。FPGA 采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8,使用Altera公司的MAX7000系列的EPM7256配置控制器完成對EP1C6Q240C8的配置,基于Nios II的嵌入式系統的原理圖如圖1所示。

        基于FPGA的現Nios II嵌入式系統配置文件下載更新方法介紹

        其中圖中的JTAG2表明有2個JTAG接口,一個用來在線配置調試,一個用來下載更新配置文件。

        2 FPGA 器件的配置方式

        FPGA的配置方式分為主動方式(AS,AcTIve Serial)、被動方式(PS,Passive Serial)和JTAG方式,數據寬度有8位并行方式和串行方式兩種。在主動模式下,FPGA在上電后,由PLD器件引導配置操作過程,它控制著外部存儲器和初始化過程,自動將配置數據從相應的外存儲器讀入到SRAM 中,實現內部結構映射;而在被動模式下,FPGA則作為從屬器件,由相應的控制電路或微處理器提供配置所需的時序,實現配置數據的下載。

        下面對基于ICR(In-Circuit Reconfigurability)FPGA器件的配置方式進行詳細分析:

        (1) 主動串行方式(AS,AcTIve Serial):主要使用EPC配置器件,適應用低速設備的配置;

        (2) 被動串行方式(PS,Passive Seria1):使用配置控制器的串行接口;

        (3) 被動并行同步方式(PPS,Passive Parallel Synchronous):使用配置控制器的并行同步接口;

        (4) 被動并行異步方式(PPA,Passive Parallel Asynchronous):使用配置控制器的并行異步接口;

        (5) 邊界掃描方式(JTAG,Joint Test AcTIon Group):使用JTAG下載電纜。

        基于AS方式配置使用EPC配置器件進行配置時,首先將配置文件從計算機下載到EPC配置器件中去,然后由EPC配置器件控制配置時序對FPGA進行配置。EPC配置器件有一次可編程和可擦寫編程型兩種:一次可編程型芯片只能寫入一次,不適于開發階段反復調試、修改及產品的方便升級;可擦除編程型價格昂貴,且容量有限,對于容量較大的可編程邏輯器件,需要多片配置芯片組成菊花鏈進行配置,增加了系統設計的難度。

        使用PS、PPS、PPA方式配置時,配置文件事先是以二進制形式保存在系統ROM 中,然后通過配置控制器將配置數據送進FPGA中。PS是通過串行方式送到FPGA中,PPS是以并行方式送給FPGA。FPGA在其內部將并行數據轉換成串行數據,該數據轉換時需要外部配置時鐘的驅動。比較PS和PPS,所用的配置時間幾乎相同,而PS的接口方式比較簡單,所以嵌入式系統中通常選擇PS方式配置FPGA。使用PPA方式配置數據時,配置控制器將配置數據以并行方式送給FPGA,然后在FPGA內部進行數據串行化處理。與PPS不一樣的地方是串行化處理時不需要配置外部時鐘的驅動,但接口更復雜,工程中很少使用。

        邊界掃描方式需要連接計算機,無法在現場使用,嵌入式系統中很少采用這種方式。

        通過上述的分析,在嵌入式系統中要使用FPGA時,可以采用專用EPC配置器件、PS、PPS、PPA和CPLD配置器件,但是PS、PPS、PPA比專用EPC配置更具成本和體積優勢。在PS、PPS、PPA中,PS又是最優的通信方式。所以在嵌入式系統中,選擇利用CPLD配置器件的PS被動串行方式來配置FPGA最為合適。

        而本文正是利用CPLD配置控制器基于PS方式進行FPGA配置的新方法,在每次啟動系統時,由配置控制器從Flash中讀出FPGA配置文件的數據信息,再下載到FPGA中以完成器件的配置功能。當系統需要升級更新FPGA配置文件時,可通過網絡或者由主機通過JTAG接口(未聯網時)將配置文件發送給基于Nios II處理器的嵌入式系統中,由Nios II處理器更新系統中的Flash。當Flash內容更新后,系統就可實現在加電時由CPLD配置控制器自動將配置文件下載到FPGA中。這樣在不需要任何硬件動作和專業軟件的情況下,只需要進行常規軟件操作就可以更新FPGA的配置文件。CPLD配置控制器主要是在配置FPGA時將FLASH存放的配置文件中的并行數據轉化為串行數據,實現系統的加電自運行。

        3 嵌入式系統中FPGA 的配置電路設計

        3.1 PS方式配置時序

        在嵌入式系統中,配置控制器可以產生配置時序,能夠和FPGA直接通信,將FLASH 中的配置文件傳輸到FPGA 的SRAM 中去。通常使用PS被動串行方式進行配置FPGA,下面就通信中使用到的5根信號線的配置時序進行說明。

        5根信號線分別為nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE、DCLK、DATA,連接配置控制器的5個I/O 口和對應的FPGA的引腳,配置時序圖如圖2所示。

        基于FPGA的現Nios II嵌入式系統配置文件下載更新方法介紹

        圖2 PS方式配置信號時序圖

        配置控制器上的5個I/O端口連接上述5個信號線。其中連接nCONFIG、DCLK、DATA端口設置成輸出態,nSTATUS、CONF_DONE端口設置成輸入態。當配置控制器開始與FPGA通信時,配置控制器首先在nCONFIG上送出一個大于8 um的負脈沖,并且檢測nSTATUS 上的信號。當FPGA 接收到nCONFIG上的下降沿時,迅速將nSTATUS和CONF_DONE拉低,并且保持低電平信號一直到nCONFIG抬高電平。當nCONFIG上抬高電平后過1 um,nSTATUS也將電平抬高,配置控制器檢測到nSTATUS上的變化后認為FPGA 已經做好了接收數據的準備。下一步配置控制器將產生配置時鐘脈沖,配置時鐘的第一個上升沿至少要比nSTATUS上升沿晚1 um。又由于配置數據和配置時鐘上升沿同步,所以在配置時鐘上升沿發生之前,數據線必須已經有了配置數據信號。配置數據是按照低位在前高位在后的順序把數據送上數據線。當所有數據都傳輸完畢后,CONF_DONE線上電平被抬高以示配置完畢。如果傳輸中出現了異常,FPGA迫使nSTATUS拉低電平,配置控制器一旦檢測到了這種現象將重新開始配置。由于配置文件中已經包含了FPGA初始化的一些代碼,所以傳輸完配置文件后,FPGA就可以正常工作了。

        3.2 基于CPLD配置控制器的配置電路設計

        CPLD是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助Quartus II開發軟件平臺,通過JTAG下載電纜將代碼傳送到目標芯片中,實現系統配置所需的時序要求和功能需求。而更重要的是CPLD配置控制器可以進行上萬次的燒寫操作。

        嵌入式系統中FPGA 的PS方式配置方式電路設計如圖3所示。FPGA和FLASH、SSRAM組成了一個最基本的嵌入式系統,其中將Nios II軟核處理器嵌入到FPGA中。FLASH 作為程序的存儲器,其中存儲著系統的整個軟件應用程序和配置文件。SSAM作為系統程序運行空間,可以有效地解決配置控制器自身SRAM容量小的問題。

        基于FPGA的現Nios II嵌入式系統配置文件下載更新方法介紹

        圖3 PS方式配置方式電路設計

        在圖3所示的設計中,MSEL0和MSEL1是配置專用線,如果MSEL0接高電平(VCC),MSEL1接地(GND),則此時的配置模式為PS模式; 如果MSELO 和MSEL1都接地(GND),則配置模式為AS模式。CPLD控制器的控制信號MAX_control_signal主要包括flash_CS_n (片選)、flash_OE_n (輸出使能)、flash_RW_n (讀寫使能)、flash_RESET_n(重置)、flash_BYTE_n (字節傳輸)等信號線。

        配置文件通過Altera的Quartus II軟件以.pof(Programmer Object Files)文件格式下載到EPM7256配置控制器內,如果配置有錯誤,該配置控制器可以進行多次下載,直至最終完成配置功能。

        FLASH中存儲的程序包括系統配置程序文件、軟件程序,其格式為.flash。系統加電后,配置控制器從FLASH 的0地址開始將配置文件進行并/串轉換后(即將圖3中的flash_DATA[7..0]轉換為DATA0)加載到FPGA中,完成系統加電時的自動配置功能;同時Nios II處理器將FLASH 中的應用程序移至到SSRAM 中運行,從而實現嵌入式系統的初運行。通過Nios II IDE工具可以將配置文件FPGA 的.sof文件格式轉換為Flash存儲器所需要的。 flash文件格式。

        4 配置文件的設計與實現

        為了確保配置過程的正確,提高系統的配置性能,在配置文件設計時應嚴格按照FPGA的Ps配置流程進行,并在配置過程中始終監控配置工作狀態,在完善的配置程序配合下可以糾正如上電次序導致配置不正常等錯誤。該配置程序是采用VHDL語言編寫的,編寫完成后,將配置文通過JTAG接口下載到EPM7256配置控制器內,根據圖2的PS配置時序,其配置流程如下:

        (1)配置信號的初始化:DATAO=0,DCLK=0,nCONFIG=0,CONF_DONE=1和nSTATUS=1,并保持2 us以上。

        (2)檢測nSTATUS,如果為“0”,表明FPGA 已響應配置,可開始進行配置,否則報錯,并返回1。正常情況下,nCONFIG=0后1 us內nSTATUS為“0”。

        (3)置nCONFIG=1,并延時5 us。

        (4)DATAO上放置數據(低位在前),DCLK=1,延時。

        (5)DCLK=0,并檢測nSTATUS,若為“0”,則報錯,重返1。

        (6)準備下一位數據,并重新執行(4)、(5),直到數據發送完為止。

        (7)此時CONF_DONE應變成“1”,表明FPGA已完成配置,如果數據發送完后,CONF_DONE為“0”,必須重新配置返回1。

        (8)配置完成后,再送出299個周期(Cyclone要求的)的DCLK,以便FPGA完成初始化。

        5 結束語

        本文介紹了通過用CPLD 的MAX7000 系列配置控制器EPM7256和Flash實現Cyclone系列的EP1C6Q240C8 FPGA配置文件下載更新的方法。與傳統的JTAG或PROM 串行下載配置方法相比,此方法具有更新配置文件靈活方便、易于操作、更加有利于系統配置文件的升級等特點。與常用的串行配置方法相比,該配置方法更具有配置時間短,準確率高、易于實現等優點。雖然該配置控制電路是為配置Altera公司cyclone系列的FPGA器件而設計的,但稍加修改也適用于其它系列的。FPGA器件,故其有一定的通用性,采用此方法特別適用于需要不斷更新的系統設計中,具有較為廣闊的應用前景。

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        發表于 2020-01-13 17:00? 192次閱讀
        采用FPGA器件實現GPS數據加密系統中機載模塊...

        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------ModelSim手動仿真

        基于流水燈的ModelSIm軟件仿真為例子                 ...
        發表于 2020-01-13 16:34? 559次閱讀
        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------ModelSim手動仿真

        關于異構計算FPGA基礎知識的詳細介紹

        隨著云計算,大數據和人工智能技術應用,單靠 CPU 已經無法滿足各行各業的算力需求。
        發表于 2020-01-13 15:15? 125次閱讀
        關于異構計算FPGA基礎知識的詳細介紹

        盤點最具潛力的幾大國產嵌入式系統

        什么是嵌入式系統?有一個客觀定義就是,除PC之外的一切計算機系統都可以叫嵌入式系統。例如智能手機、工....
        發表于 2020-01-13 14:29? 248次閱讀
        盤點最具潛力的幾大國產嵌入式系統

        嵌入式系統安全將會面臨著哪些挑戰

        當我們試圖在較小的嵌入式系統中使用更多的特性時,它們的安全性常常被忽略。
        發表于 2020-01-13 14:25? 157次閱讀
        嵌入式系統安全將會面臨著哪些挑戰

        【高手問答】資深工程師為你解答工程與產品設計上的...

        本期我們邀請到了資深工程師白紀龍@白老大大,也是許多壇友熟知的白老師,他將為我們解答大家在PCB設計....
        發表于 2020-01-13 09:39? 0次閱讀
        【高手問答】資深工程師為你解答工程與產品設計上的...

        壹周新訊Twinwash嵌入式滾筒洗衣機開箱

        洗衣機由一個叫做漢密爾頓史密斯的美國人,發明于 1858年。歷時150多年,發展到今天,我們熟悉的洗....
        發表于 2020-01-13 09:33? 193次閱讀
        壹周新訊Twinwash嵌入式滾筒洗衣機開箱

        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------呼吸燈設計和實現

        呼吸燈設計和實現 內容 一個周期為1s的呼吸燈,從熄滅到完全點亮一共需要1s。 將1s分為1000個1ms作為呼吸...
        發表于 2020-01-12 19:50? 307次閱讀
        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------呼吸燈設計和實現

        如何簡單快速的實現嵌入式FPGA

        Achronix Semiconductor 營銷副總裁 Steve Mensor 表示,這款被稱為....
        發表于 2020-01-12 10:56? 504次閱讀
        如何簡單快速的實現嵌入式FPGA

        如何用FPGA測量數字正弦波的頻率?

        如何用FPGA測量數字正弦波的頻率
        發表于 2020-01-11 22:27? 280次閱讀
        如何用FPGA測量數字正弦波的頻率?

        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------按鍵控制LED和BEEP設計和實現

        設計內容        按KEY0時點亮最右邊的燈,按動按鍵KEY1時依次往左移動,按下KEY2時關...
        發表于 2020-01-11 12:47? 194次閱讀
        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------按鍵控制LED和BEEP設計和實現

        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------流水燈設計和實現

        設計內容        將4個LED每隔1s從左往右分別依次點亮熄滅,形成流水狀。按復位鍵時進行復...
        發表于 2020-01-11 11:07? 443次閱讀
        【雨的FPGA筆記】基礎實踐-------流水燈設計和實現

        FPGA的行業優勢以及它與DSP的區別分析

        FPGA的優勢有三個方面:1)通信高速接口設計。FPGA可以用來做高速信號處理,一般如果AD采樣率高....
        發表于 2020-01-10 15:46? 231次閱讀
        FPGA的行業優勢以及它與DSP的區別分析

        hdmi矩陣切換器采用FPGA純硬件架構方案

        hdmi矩陣切換器在眾多的領域中有著廣泛的運用,對于不同的運用場合和需求,有著許多不同的方案,而dm....
        發表于 2020-01-10 15:43? 165次閱讀
        hdmi矩陣切換器采用FPGA純硬件架構方案

        關于Xilinx FPGA內部體系結構的分析

        Xilinx的FPGA的基本結構是一樣的,主要由6部分組成,分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏....
        發表于 2020-01-10 15:39? 272次閱讀
        關于Xilinx FPGA內部體系結構的分析

        嵌入式操作系統FreeRTOS內存如何管理和堆

        嵌入式操作系統FreeRTOS內存管理和堆
        發表于 2020-01-10 15:17? 491次閱讀
        嵌入式操作系統FreeRTOS內存如何管理和堆

        如何用乘加器(mac)實現150個數平方和?

        這個模塊是music算法中的協方差矩陣中的一部分。輸入的150個數是16位的,得到的結果是32位。 自己也寫了代碼可是結果...
        發表于 2020-01-10 10:57? 436次閱讀
        如何用乘加器(mac)實現150個數平方和?

        深維科技榮獲北航全球創新創業大賽二等獎

        經過初賽、復賽的激烈對決和層層選拔,深維科技參賽項目“超高性能數據中心FPGA異構計算加速解決方案”....
        發表于 2020-01-10 09:28? 118次閱讀
        深維科技榮獲北航全球創新創業大賽二等獎

        STM32CubeMX和HAL驅動庫的嵌入式系統...

        課程 | 基于STM32CubeMX和HAL驅動庫的嵌入式系統設計
        發表于 2020-01-09 13:59? 271次閱讀
        STM32CubeMX和HAL驅動庫的嵌入式系統...

        LVDS技術的應用優勢及基于FPGA實現遠端顯示...

        LVDS接口又稱RS-644總線接口,是20世紀90年代出現的一種數據傳輸和接口技術。LVDS是一種....
        發表于 2020-01-08 16:40? 698次閱讀
        LVDS技術的應用優勢及基于FPGA實現遠端顯示...

        幀同步系統的工作原理及如何基于FPGA實現其設計

        實現幀同步的關鍵是把同步碼從一幀幀數據流中提取出來。本設計的一幀信碼由39位碼元組成。其中的巴克碼為....
        發表于 2020-01-08 16:30? 2100次閱讀
        幀同步系統的工作原理及如何基于FPGA實現其設計

        英特爾新發布Stratix 10,為可編程四核A...

        FPGA在高度并行、大吞吐量數字信號處理(DSP)應用方面享有很好的聲譽。過去幾代FPGA器件一直穩....
        發表于 2020-01-08 15:32? 333次閱讀
        英特爾新發布Stratix 10,為可編程四核A...

        基于嵌入式系統的CAN總線網絡通信是怎樣設計的

        可編程邏輯器件PLD(Programmable logic Device)就是由用戶進行編程實現所需....
        發表于 2020-01-08 10:03? 166次閱讀
        基于嵌入式系統的CAN總線網絡通信是怎樣設計的

        FPGA的發展瓶頸有哪些,該如何解決

        據Semico統計,FPGA市場正在逐年增長,而復合年均增長率高達38.4%,至2023年將具有55....
        發表于 2020-01-07 15:23? 271次閱讀
        FPGA的發展瓶頸有哪些,該如何解決

        FPGA和GPU在深度神經網絡方面誰更勝一籌

        在今天的大數據時代,企業和消費者被各種來源的海量數據淹沒,包括商業交易、社交媒體以及傳感器或機器對機....
        發表于 2020-01-07 15:08? 309次閱讀
        FPGA和GPU在深度神經網絡方面誰更勝一籌

        FPGA中面積換速度該如何去實現

        在FPGA中,如果要將一個采樣率為480MHz,中頻頻率為302.5MHz的信號變頻到零中頻的基帶信....
        發表于 2020-01-07 14:45? 107次閱讀
        FPGA中面積換速度該如何去實現

        物聯網和嵌入式領域出現了什么重大的事情

        嵌入式系統和物聯網的主題從邊緣智能到安全性以及開源的發展。
        發表于 2020-01-07 14:20? 286次閱讀
        物聯網和嵌入式領域出現了什么重大的事情

        安路科技文余波:站在歷史的關口,國產FPGA當自...

        安路科技總經理文余波在接受采訪時表示,安路科技能在FPGA市場上實現過億的銷售,證明了公司一直以來強....
        發表于 2020-01-07 13:59? 209次閱讀
        安路科技文余波:站在歷史的關口,國產FPGA當自...
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