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1、引言
FPGA在系統上電時，需要從外部載入所要運行的程序，此過程被稱為程序加載。多數情況下，FPGA從外部專用的 EPROM讀入程序。這種方式速度慢，而且只能加載固定的程序。顯然，當系統需要容量大而且 FPGA要加載的程序可以根據需要有選擇的加載時不能采用這種方法。本文實現了一種基于外部處理器的加載方法，速度快，而且可以根據設置給FPGA加載相應的程序。
對于 Xilinx公司的 FPGA芯片，有五種加載方式：JTAG模式，串行從模式，串行主模式，并行從模式和并行主模式。JTAG模式常用于調試時，將主機綜合好的程序加載到FPGA，優先級高于其他幾種模式。其他加載模式取決于 FPGA上加載模式管腳（M0，M1，M2）的設置。
用外部處理器給 FPGA加載程序時，可以采用串行從模式、并行從模式，甚至于 JTAG模式。本文選擇并行從模式，原因在于更高的配置速率。 2、 FPGA程序數據的產生
FGPA的程序加載即是要把綜合好的程序文件按一定的時序寫入FPGA。而 Xilinx的開發環境可以根據用戶的選擇產生多種文件格式，以不同的后綴名區分。不同的文件格式包含了不同的信息，有不同的用途。
本文選擇了.bin格式的文件。此文件是只包含有程序數據的二進制文件。產生此文件，要在bitgen 參數里增加-g Binary:yes 選項。
此外，需要說明的是，通常的微處理器 D0位是最低有效位，而 Xilinx的 FPGA在接收程序數據時，D0位是最高有效位。因此，在按字節讀取.bin格式的文件之后，需要有一個轉換的過程。如從文件讀到一個字節，0x7D，即二進制的 0111 1101，需轉換為：1011 1110。
加載過程開始時，就要從.bin文件中順序按字節讀出數據，然后在 CCLK的上升沿寫入 FPGA。在.bin文件中的數據都被寫入 FPGA后，CCLK需要多出四個時鐘周期，以使得 FPGA完成啟動過程。 3、硬件設計
在FPGA上，與配置有關的管腳分為兩類：專用管腳，包括PROG_B，HSWAP_EN，TDI， TMS，，TCK，TDO，CCLK，DONE，和M0-M2。還有一類是可復用管腳，這類管腳在配置階段作為配置管腳，配置結束后可以配置為通用普通的IO管腳，也可以繼續作為配置管腳。在并行從模式下，涉及到的配置管腳和功能如下：
CS_B：片選信號，低有效； RDWR_B：寫信號，低有效； BUSY：FPGA忙指示，高有效，一般只有在并行加載時鐘速率大于50M時才有可能用到；D0-D7：數據線； INIT_B：芯片被復位后，此管腳為輸出信號，輸出低電平指示FPGA正在自行復位內部
寄存器。復位結束后，此管腳浮空，處于輸入狀態。因此需要上拉電阻，指示復位結束。內部寄存器復位結束后，此管腳若被拉低，則會推遲FPGA的程序加載過程。在程序加載過程中，此管腳又變回輸入狀態，對外輸出低電平指示加載的程序數據存在CRC校驗錯誤。
PROG_B：異步復位信號，下降沿有效，此信號為低電平時復位FPGA，復位后，FPGA芯片處于內部寄存器自行復位過程，INIT_B被FPGA芯片拉低，此過程結束后，FPGA不再驅動INIT_B管腳，INIT_B管腳處于浮空狀態，此時，INIT_B有上拉電阻時，INIT_B呈現高電平，依次可以指示FPGA的內部寄存器自行復位結束。程序加載狀態。
DONE：加載成功指示。 CCLK：程序加載時，數據在此信號的上升沿被寫入FPGA。在本設計中，ARM芯片采用的是 SUMSUN公司的S3C2410，與 FPGA配置管腳相連的是
此芯片的通用 IO管腳 D組。硬件連接如圖所示。在 ARM的程序中，ARM管腳在程序加載的各階段的輸入輸出設置如下：首先，設置 GPD（與 FPGA的 INIT_B相連）、GPD（與 FPGA的 BUSY相連）為輸入管腳，以監視 FPGA內部寄存器自行復位結束和忙閑狀態。其次，設置GPD（與 FPGA的 PROG_B相連）為輸出狀態，并使其輸出低脈沖，使 FPGA復位。然后依次設置 GPD（與 FPGA的 CS_B相連）、GPD（與 FPGA的 RDWR_B相連）、GPD（與 FPGA的 CCLK相連）為輸出管腳，并使其輸出低電平，使 FPGA處于被選可接受數據狀態；接著設置D［0..7］為輸出狀態。至此，ARM中的程序開始輪詢GPD的狀態，檢測到此信號為高時，有兩種選擇，其一是因為需要而推遲 FPGA的程序加載，可以通過設置 GPD為輸出，并使其輸出為低電平直至程序加載開始。其二是開始給 FPGA加載程序，FPGA在 CCLK的上升沿接收數據，在給 FPGA加載程序的過程中，程序需要監視GPD管腳的狀態，一旦為低，FPGA指示程序數據加載 CRC校驗出錯。此時需要復位FPGA，重新加載。
采用的硬件連接如下圖：
本文以模塊形式實現了運行于S3C2410上的linux驅動程序，源文件如下（有關寄存器
的設置參考S3C2410的數據手冊，以下源代碼未包含頭文件）：
#define GPIO_va_base 0x0F6000000
//基于S3C2410 上的Linux內核IO控制寄存器首地址映射后的虛擬地址
#define ARM_GPDCON PIO_va_base+0x30）;
#define ARM_GPDUP PIO_va_base+0x38）;
#define ARM_port_wr（addr，value） *（volatile unsigned int*）（addr）=value）
//定義輸出
#define FPGA_CS 8
#define FPGA_RW 9
#define FPGA_PROG 12
#define FPGA_CCLK 14
//定義操作
#define ARM_GPDDAT （*（volatile u32 *）（GPIO_va_base+0x34））
#define set_register_bit（x） ARM_GPDDAT=（1《《x）|ARM_GPDDAT
#define clear_register_bit（x） ARM_GPDDAT=（~（1《《x））&ARM_GPDDAT
//定義輸入
#define FPGA_INIT （（ARM_GPDDAT》》10）&1）
#define FPGA_BUSY （（ARM_GPDDAT》》11）&1）
#define FPGA_DONE （（ARM_GPDDAT》》13）&1）
#define FPGA 211
//定義主設備號，和mknod /dev/fpga c 211 0匹配
typedef char fpga_device_t;
static fpga_device_t fpga_devices［257］;
char buf［1000000］;
int fpga_open（struct inode *， struct file *）;
ssize_t fpga_write（struct file *，const char *，size_t ，loff_t *）;
int fpga_release（struct inode*， struct file *）;
//初始化ARM的D組通用IO管腳
void init_fpga（void）{
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x30，0x55555555）;
//FPGA_BUSY FPGA_DONE FPGA_INIT be set input
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x34，0xFFFF）;
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x30，0x51055555）;
ARM_port_wr（GPIO_va_base+0x38，0）;// put up
set_register_bit（FPGA_CCLK）;//set GCLK
}
static struct file_operations fpga_ctl_fops= {
open： fpga_open，
write： fpga_write，
release： fpga_release，};
int init_module（void） {
printk（“Hello，word，Now preparing FPGA.。..。.\n”）;
printk（“register FPGA.。..。.\n”）;
register_chrdev（FPGA， “fpga”， &fpga_ctl_fops）;
printk（“Done！\n”）;
printk（“Hello，word，success！\n”）;
return 0;
}
int fpga_open（struct inode *inode， struct file *filp）{
int minor;
minor = MINOR（inode-》i_rdev）;
init_fpga（）;
fpga_devices［minor］++;
printk（“FPGA is ready.\n”）;
return 0;
}
ssize_t fpga_write（struct file *flip，const char *buffer，size_t count，loff_t
*ppos）{
int i;
if（copy_from_user（buf，buffer，count））{
printk（“error \n”）;
return -EFAULT;
}
printk（“%d numbers have been received！\n”，count）;
printk（“The number is：%d\n”，count）;
for（i=0;i《count;i++）{
ARM_GPDDAT=（ARM_GPDDAT&0x3F00）|buf［i］;
set_register_bit（FPGA_CCLK）;
}
printk（“data write finished\n”）;
for（i=0;i《4;i++）{
set_register_bit（FPGA_CCLK）;
clear_register_bit（FPGA_CCLK）;
}
return count;
}
int fpga_release（struct inode *inode， struct file *filp）{
int minor;
minor = MINOR（inode-》i_rdev）;
if （fpga_devices［minor］）
fpga_devices［minor］--;
printk（“Goodbye cruel world\n”）;
return 0;
}
void cleanup_module（void）{
printk（“Goodbye cruel world\n”）;
}
5、結束語
本文的創新點：基于ARM-Linux平臺，實現了一種FPGA的程序加載模式，加載速度快，靈活高效。
責任編輯：gt
工商網監
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