一種遠程配置FPGA的方法

劉佳

摘要：使用JTAG方式配置FPGA，在某些特殊環境下，因缺乏靈活性，不易操作，對設備使用產生制約。本文提出一種遠程配置FPGA的方法，該方法利用PC機，通過以太網接口向Zynq傳輸配置文件，Zynq按照FPGA相應的配置時序，完成遠程配置工作。

關鍵詞：FPGA；遠程配置；Zynq；AXI

中圖分類號：TN791 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0120-01

1 引言

近年來，FPGA技術廣泛應用于通信、信息、信號處理等領域。傳統的JTAG方式配置FPGA，強依賴于本地開發環境。當FPGA設備處于特殊環境時，遠程配置功能就非常重要了。Zynq是Xilinx公司近兩年力推的全可編程SOC，它將雙核 ARM Cortex A9處理器系統（Processing System，PS）和可編程邏輯（Programmable Logic，PL）結合到單芯片內，并推出了PS與PL間的高速AXI總線。本文利用PC和Zynq完成對FPGA的遠程配置工作，充分發揮以太網、AXI等高速接口的特性，實現高效的遠程配置。

2 方案原理

遠程配置，通常是指配置文件在一臺PC上，待配置設備位于遠端，二者可通過互聯網連接。PC的作用是將配置文件通過以太網傳輸給設備。在設備中，包含一個Zynq SOC。該單元主要負責接收PC傳來的配置文件，并完成對FPGA的具體配置工作。

在Zynq中，包括PS和PL兩個模塊，還含有大量的控制器資源，如USB控制器、DDR控制器，千兆以太網控制器等。AXI是Zynq中引入的新概念，它是Advanced eXtensible Interface的簡稱，可實現PS與PL間高速的數據交互。Zynq中AXI接口共有9個，分為3類：AXI_ACP接口、AXI_HP接口、AXI_GP接口。

Zynq收到配置文件后，可以保存在DDR或SD卡等存儲器上。然后PS通過AXI接口將配置數據傳遞給PL。PL一邊接收數據，一邊實現FPGA的相應配置時序，最終完成配置工作。

3 具體實現

以Altera Stratix IV為例說明，Zynq SOC采用Zynq-7000系列的XC7Z030，普通PC機一臺。硬件框圖如圖1所示。

具體配置流程：

（1）PC與Zynq SOC建立TCP/IP連接，Zynq為Server，PC為Client。PC通過千兆網口將配置文件發送給Zynq，Zynq收到文件后，存到SD卡備用。

（2）Zynq中PS與PL建立AXI通道接口，PS做Master，PL做Slave。PS從SD卡讀取配置文件數據，通過AXI接口，發送給PL。因配置文件通常為10幾兆，因此傳輸時分片傳輸，每次可傳K級別數據。

（3）PL一邊接收數據，一邊實現Stratix IV的配置時序，邊收數據，邊配置。

（4）PS每傳一片數據，都要等待PL配置完成，并且檢驗糾錯，正確時才可傳送下一個數據包。

（5）重復（3）（4）步驟，至全部配置數據，傳輸配置完成。

（6）Zynq SOC將配置結果（成功或失敗），通過以太網上報給PC。至此，完成遠程配置。

流程圖如圖2所示。

需要注意，當PC向Zynq傳送配置文件時，需要先將文件的標志信息（文件名、長度）傳過去，Zynq會在本地新建同名文件。然后PC再把將文件的數據信息傳過去，Zynq會自動存儲到剛剛新建的文件中，以此實現配置文件的同步傳送。

進行AXI數據通信時，本文選用AXI GP接口，該接口比AXI HP、AXI ACP實現簡單。可選擇數據位寬32bit或64bit，經典的寄存器思想，選擇32bit寬時，每個AXI GP設備最多擁有512個寄存器資源，這也限制了傳送配置文件數據時，最大包的最大Size。因AXI GP接口帶寬高，即使分包傳輸，性能上依舊很好。

4 結語

借助Xilinx的Zynq SOC平臺，將PS和PL的設計資源合理利用，充分發揮以太網和AXI等高速接口的性能，高效的完成FPGA的遠程配置工作。本方法已在項目中得到實際運用。該方法實現巧妙，兼容性強，為硬件程序更新帶來了便利。

參考文獻

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