基于Linux系統(tǒng)的FPGA芯片在線加載的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

楊鵬

（北方民族大學(xué) 寧夏 銀川 750021）

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的仿真和功能開發(fā)變得不可或缺。FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）具有豐富的邏輯設(shè)計(jì)資源，可以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及邏輯控制任務(wù)。FPGA所具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可重構(gòu)特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣可以通過編程來修改，極大地提高了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性，降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了研發(fā)周期，必將成為未來的嵌入式開發(fā)的主流趨勢(shì)之一。

基于FPGA的開發(fā)，是指利用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)計(jì)要求的全過程[1]。在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)過程中，如何將FPGA芯片的代碼方便快捷的加載運(yùn)行是要解決的問題。FPGA程序在仿真完成后，上板調(diào)試和驗(yàn)證一般是通過PC機(jī)連接硬件設(shè)備單板的JTAG口完成代碼加載和運(yùn)行。但是考慮到批量生產(chǎn)以及后續(xù)在線升級(jí)時(shí)，通過這種下載方式進(jìn)行操作則顯得非常繁瑣，并且如果采用手工下載，無法保證所有設(shè)備的一致性，易用性很差。如果通過CPU自加載FPGA程序的方式，則只需要把FPGA程序文件燒寫到硬件設(shè)備單板的存儲(chǔ)FLASH中，設(shè)備上電啟動(dòng)后，CPU可自行模擬JTAG口時(shí)序，讀取文件數(shù)據(jù)并完成在線加載過程。本文就提出了一種對(duì)Lattice系列FPGA芯片進(jìn)行程序在線加載的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 芯片加載過程分析

Lattice系列FPGA芯片片內(nèi)包含SRAM和Flash兩種存儲(chǔ)器。SRAM包含了FPGA的配置信息。Flash為這些配置信息提供了內(nèi)部存儲(chǔ)空間。Lattice系列FPGA的程序加載方式如圖1所示。

圖1 Lattice系列芯片程序加載方式Fig.1 Lattice series chip program loading method

可以看出Flash可以通過JTAG口和slave parallel方式下載。 SRAM 則可以通過 JTAG、slave parallel、master serial、slave serial方式進(jìn)行下載。SRAM中的數(shù)據(jù)是易失的，F(xiàn)lash中的數(shù)據(jù)是非易失的。所以我們最終目的是用CPU模擬JTAG時(shí)序?qū)崿F(xiàn)FPGA程序自加載到flash中。

JTAG時(shí)序模擬部分主要是對(duì) TCK、TMS、TDI、TDO等信號(hào)線進(jìn)行操作，并最終表現(xiàn)為控制TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。主要的接口函數(shù)有：設(shè)置TMS、發(fā)送TCK時(shí)鐘脈沖、設(shè)置TDI、讀取TDO數(shù)據(jù)進(jìn)入下一狀態(tài)機(jī)狀態(tài)、讀寫數(shù)據(jù)寄存器、寫指令寄存器、讀目標(biāo)機(jī)CPU設(shè)備ID、選擇掃描鏈、初始化JTAG口等[2]。Lattice公司提供了C語言代碼框架，命名為ispvme。此種方法不占用gpio，下載時(shí)序相對(duì)簡(jiǎn)單。JTAG狀態(tài)機(jī)已經(jīng)在代碼中封裝好，只需改動(dòng)和單板的驅(qū)動(dòng)接口即可。ispvme的流程如圖2所示。

圖2 Ispvme流程圖Fig.2 Ispvme flow chart

從上圖中可以看出，最終下載的文件是vme文件。把vme文件作為源數(shù)據(jù)，每次更新版本時(shí)，只需要更新vme文件即可[3]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)所運(yùn)行的硬件設(shè)備采用Linux作為其操作系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)有一個(gè)很好的特性：內(nèi)核提供的特性可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。這意味著當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)，我們可以向內(nèi)核添加功能，當(dāng)然也可以在不用時(shí)動(dòng)態(tài)移除該功能。Linux系統(tǒng)支持很多種模塊類型，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編譯為可動(dòng)態(tài)加載的模塊（.ko文件），當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后使用insmod加載該設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，上層應(yīng)用軟件可調(diào)用模塊提供的接口對(duì)硬件進(jìn)行操作，當(dāng)操作完成后，可使用rmmod命名卸載該設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊[4]。

根據(jù)本系統(tǒng)運(yùn)行的軟件平臺(tái)（Linux2.6.22），將此功能模塊設(shè)計(jì)由兩層來完成。一是實(shí)現(xiàn)基于Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，主要是完成對(duì)GPIO管腳初始化配置，并進(jìn)行具體的讀寫操作用來產(chǎn)生模擬時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和控制等信號(hào)。二是上層應(yīng)用程序，即Lattice公司提供的C語言代碼框架，它調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)模塊接口，模擬JTAG時(shí)序?qū)me文件進(jìn)行處理，完成實(shí)際的FPGA代碼自動(dòng)加載功能。整個(gè)模塊的工作原理框圖如圖3所示。

圖3 軟件側(cè)模塊構(gòu)架Fig.3 Software architecture

根據(jù)模塊的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)開發(fā)流程分以下3步進(jìn)行:

1）生成xxx.vme文件，生成xxx.vme文件的原理和流程在上文中已講述過。

2）實(shí)現(xiàn)Linux驅(qū)動(dòng)側(cè)代碼，編譯生成動(dòng)態(tài)可加載模塊（ko文件）；

3）對(duì)Lattice公司提供的C語言代碼框架中的 hardware.c文件進(jìn)行移植修改，包括讀寫端口、延時(shí)函數(shù)以及時(shí)鐘產(chǎn)生函數(shù)等，編譯生成可執(zhí)行文件。

1.3 軟件實(shí)現(xiàn)過程

1）驅(qū)動(dòng)側(cè)代碼實(shí)現(xiàn)

本驅(qū)動(dòng)模塊的核心功能是對(duì)用來模擬JTAG時(shí)序的四個(gè)GPIO管腳進(jìn)行控制，包括對(duì)管腳工作模式的配置、輸入輸出方向的配置以及電平狀態(tài)的控制 （如果管腳配置為輸出）和管腳狀態(tài)的讀?。ㄈ绻苣_配置位輸入），并提供對(duì)應(yīng)用層的操作接口以供調(diào)用。根據(jù)本設(shè)備所使用的處理器datasheet中GPIO接口寄存器的相關(guān)定義[5]，并利用Linux2.6.22內(nèi)核中提供的對(duì)本處理器GPIO管腳進(jìn)行操作的內(nèi)核API函數(shù)，完成此驅(qū)動(dòng)模塊開發(fā)。在驅(qū)動(dòng)程序的模塊初始化函數(shù)中首先完成對(duì)管腳的配置，示例代碼如下：

static int onlineloading_init（void）

{

u32 viraddr；

ret=misc_register（&load_miscdev）；

if（ret<0）

return ret；

viraddr=ioremap_nocache（XX_CTRL_BASE， 0xff）；

/*配置管腳為gpio模式*/

*（u8*）（viraddr+0xF9）=0x03；

*（u8*）（viraddr+0xFA）=0x03；

*（u8*）（viraddr+0xFB）=0x03；

*（u8*）（viraddr+0xFC）=0x03；

iounmap（viraddr）；

/*申請(qǐng)gpio管腳*/

request_gpio（5）；

set_gpio_direction（5，1）；

request_gpio（6）；

request_gpio（7）；

request_gpio（8）；

}

printk（"info:load onlineloading module successfully! "）

}

2）在ioctl函數(shù)中實(shí)現(xiàn)向應(yīng)用程序?qū)拥牟僮鹘涌?。示例代碼如下：

static int load_ioctl （struct inode*inode， struct file*file，unsigned int cmd， unsigned long arg）

{

unsigned short port；

unsigned short value；

unsigned char read_value；

unsigned char getparam[2]={0x0，0x0}；

switch （cmd） {

case write_port://寫GPIO端口，命令參數(shù)由應(yīng)用層傳入

if（copy_from_user（getparam，arg，2）） {

printk（"copy fpga load write_port value error "）；

return －EFAULT；

}

port=getparam[0]；

value=getparam[1]；

set_gpio_direction（port，0）； //將管腳配置為輸出模式

set_gpio_dataout（port，value）；

break；

case read_port://讀GPIO端口

read_value=get_gpio_datain（g_ucPinTDO）；

if（copy_to_user（arg，&read_value，sizeof（unsigned long））

{

printk（"copy fpga load read_port value error "）；

return －EFAULT；

}

break；

default:printk（"load module:No valid command! "）；

}

return 0；

}

在ioctl函數(shù)里實(shí)現(xiàn)了具體的對(duì)GPIO管腳操作的過程。cmd參數(shù)用來傳遞讀寫命令，arg參數(shù)用來傳遞端口號(hào)和端口值[6]。

3）應(yīng)用程序中hardware.c文件里的讀寫端口、時(shí)鐘產(chǎn)生函數(shù)以及延時(shí)函數(shù)的修改。示例代碼如下：

①根據(jù)硬件連接對(duì)管腳進(jìn)行定義

const unsigned char g_ucPinTDI=5；/*gpio_5 pin，TDI*/

const unsigned char g_ucPinTCK=6；/*gpio_6 pin，TCK*/

const unsigned char g_ucPinTMS=7；/*gpio_8 pin，TMS*/

const unsigned char g_ucPinTDO=8；/*gpio_9 pin，TDO*/

②寫端口函數(shù)的修改。示例代碼如下：

void writePort （unsigned char a_ucPins，unsigned char a_ucValue）

{

unsigned int write_value=0；

unsigned char param[2]={0x0，0x0}；

param[0]=a_ucPins；

param[1]=a_ucValue；

ioctl（ fd， write_port， param）；//調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊，完成寫端口過程

}

③讀端口函數(shù)的修改。示例代碼如下：

unsigned char readPort（）

{

unsigned char ucRet=0；

unsigned long read_value=0；

ioctl（ fd， read_port， &read_value）； //調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊，完成讀端口過程

ucRet=（unsigned char）read_value；

return （ucRet）；

}

④時(shí)鐘產(chǎn)生函數(shù)的修改。示例代碼如下：

void sclock（）

{

unsigned short IdleTime=0；//change to＞0 if need to slow down TCK

unsigned short usIdleIndex=0；

IdleTime=1；

for（usIdleIndex=0；usIdleIndex

writePort（ g_ucPinTCK， 0x01 ）；

}

for（usIdleIndex=0；usIdleIndex

{

writePort（ g_ucPinTCK， 0x00 ）；

}

}

時(shí)鐘產(chǎn)生函數(shù)中的IdleTime參數(shù)，用來控制模擬時(shí)鐘速率的大小，如果要降低模擬時(shí)鐘的速率，則將IdleTime參數(shù)的值變大即可，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)視具體情況而定。

⑤延時(shí)函數(shù)的修改

hardware.c中提供的延時(shí)函數(shù)為ispVMDelay，它實(shí)現(xiàn)了比較精確的毫秒級(jí)延時(shí)。其中的g_usCpu_Frequency參數(shù)為處理器的頻率（單位為M），在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)具體采用的處理器特性對(duì)處理器頻率進(jìn)行定義。

修改完 hardware.c后，編寫Makefile文件，對(duì)程序進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行文件FPGA_BIN_LOAD。

2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

當(dāng)完成以上代碼編寫和修改后，編譯生成可執(zhí)行文件，并將這些可執(zhí)行文件以及要加載的程序文件xxx.vme通過網(wǎng)口下載到設(shè)備單板的FLASH上，Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，可在文件系統(tǒng)下看到這些文件。在線加載過程由以下步驟完成：

第一步，加載驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，采用insmod命令動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序編譯生成的動(dòng)態(tài)加載模塊文件，Linux驅(qū)動(dòng)模塊加載成功。

第二步，運(yùn)行FPGA自動(dòng)加載應(yīng)用程序。將應(yīng)用程序編譯生成的FPGA_BIN_LOAD可執(zhí)行文件和FPGA代碼生成的xxx.vme文件拷貝到同級(jí)目錄下，執(zhí)行FPGA_BIN_LOAD，系統(tǒng)開始處理xxx.vme文件，F(xiàn)PGA代碼加載過程正在進(jìn)行。當(dāng)整個(gè)FPGA代碼加載完成后，程序給出打印信息通知用戶，表明加載成功。

3 結(jié)論

文中提出的通過CPU模擬時(shí)序并結(jié)合Ispvme的在線下載方式，適用于lattice XO XP XP2 3種系列的可編程器件。這3個(gè)系列的器件都是采用內(nèi)部非易失flash存儲(chǔ)程序。這種在線下載方式，尤其適合在開發(fā)的后續(xù)階段對(duì)fpga版本的更新和升級(jí)操作。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、操作便捷、易用性強(qiáng)以及可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考資料:

[1]竇建華，孫強(qiáng)，陸俊鋒.基于JTAG和FPGA的嵌入式SOC驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（3）:126-129.DOU Jian-hua，SUN Qiang，LU Jun-feng.Design of the embedded SOC verification system based on JTAG and FPGA[J].Journal of Hefel University of Technology：Natural Science，2009（3）:126-129.

[2]胡貫榮，陳招偉，羅威.一種JTAG驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009（2）:64-67.HU Guan-rong，CHEN Zhao-wei，LUO Wei.A study of the JTAG driver implementation[J].Computer Engineering and Science，2009（2）:64-67.

[3]LatticeXP Family Handbook.HB1001 Version 02.9[R].Lattice semiconductor，April，2007.

[4]魏永明，耿岳，鐘書毅，等.LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M].北京:中國(guó)電力出版社，2005.

[5]Omap 2530 TRM.SWPU090R-June 2005-Revised[R].Texas Instruments，August，2007.

[6]Neil Matthew，Richard Stone著.LINUX程序設(shè)計(jì)[M].陳健，宋健健，譯.北京:人民郵電出版社，2010.