Leon3的接口配置設計

　摘要：與通常采用外圍的CPLD器件和CPU來產生配置接口控制邏輯的方法不同，本文設計了采用嵌入到FPGA的Leon3開源CPU軟核來控制實現(xiàn)Virtex系列FPGA的SelectMap接口配置的方法，可將其應用于對FPGA芯片的在線配置。該方法設計成本低，不局限于某一類型的FPGA芯片，減少了外圍分立元件的使用，增強了設計的靈活性。仿真結果表明該設計滿足SelectMap接口配置所需控制邏輯要求，可以完成FPGA的并行配置。

　　關鍵詞：FPGA;嵌入式CPU;Leon3軟核;SelectMap接口

　　引言

　　隨著FPGA和SOPC技術的發(fā)展，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比，具有設計周期短、設計風險和設計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復等優(yōu)點。基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計技術和市場逐漸成熟，使得嵌入式CPU軟核(如Xilinx公司推出的MicroBlaze、Altera公司的Nios、歐空局開發(fā)的Leon3軟核等)的大量應用成為可能。

　　本文結合具體應用需求，介紹了利用嵌入式CPU Leon3軟核處理器對Virtex系列FPGA的配置進行控制的方法。此系統(tǒng)能夠實現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)的重構，并且減少了外圍CPU和CPLD器件的使用，具有很好的應用價值。

　　1 Leon3軟核

　　Leon3是歐空局開發(fā)的32位CPU軟核，其標準版是一種開源的軟核，使用GNU LGPL授權協(xié)議，可以免費地應用于研究、教學和商業(yè)目的。Leon3軟核使用VHDL語言描述，與SPARC V8兼容，使用7級流水線，集成了全流水的IEEE-754浮點處理器，提高了對多處理器的支持。由于Leon系列指令集符合SPARC V8標準，外部總線符合AMBA標準，兼容軟件和IP核資源極其豐富，加上其開放源代碼的策略，對它的研究和應用受到了廣泛的關注。Leon3軟核具有良好的可配置性和可移植性，能夠根據(jù)需要靈活地選擇外圍控制器。并且該軟核不是FPGA廠商推出的，因此可以應用于不同類型的FPGA芯片。Leon3開源軟核的Grlib IP庫中提供了多種功能模塊，如串口控制器、存儲器控制器、通用可編程I/O等，把該軟核及其外圍的控制模塊集成到FPGA中，構成一個嵌入式片上系統(tǒng)。

　　2 SelectMap接口配置系統(tǒng)設計

　　2.1 Virtex系列FPGA配置方式

　　Virtex系列FPGA基于SRAM工藝，共有4種配置方式：主串(master serial)、從串(slave setial)、SelectMap和邊界掃描(boundarysca-n)。串行(主串或從串)模式需要的配置信號少(PROGRAM、CCLK、DIN、INIT、DONE)，F(xiàn)PGA在配置時鐘的上升沿接收1位配置數(shù)據(jù)，該配置方式速度較慢。邊界掃描模式?jīng)]有存儲芯片，掉電后需重新配置，所以該種配置方式多用于調試階段。SelectMap模式是一種8位并行配置模式，它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式，其配置時鐘最高可達66MHz，每個配置時鐘周期內有8位配置數(shù)據(jù)下載到FPGA內。在對配置速度要求較高的一些應用場合，一般采用SelectMap配置方式。