系統(tǒng)中LATTICE FPGA在線升級方案

文/黃瑋芳

1 引言

本設(shè)計提出了一種基于微處理器對FPGA動態(tài)配置的方案，通過串行將升級配置數(shù)據(jù)送入FPGA中來自動完成升級配置。此設(shè)計不僅使FPGA的升級速度更快、更方便，還減小了系統(tǒng)體積，節(jié)約了成本，解決了現(xiàn)場升級FPGA困難的難題。

2 設(shè)計概述

本設(shè)計使用motorola公司的MPC8270作為微處理器，對lattice公司的FPGA LFE2M20E進行控制來實現(xiàn)在線升級。

2.1 配置模式和配置方法

本設(shè)計的在線升級使用FGPA的Slave Serial模式，令FPGA作為從屬器件，由微處理器MPC8270提供配置所需的時序和數(shù)據(jù)，完成配置數(shù)據(jù)的下載。

進行在線升級時，先將更新好的配置文件（.bit文件）以二進制形式從計算機下載到MPC8270的內(nèi)存中去，再通過控制配置時序?qū)⑴渲脭?shù)據(jù)串行發(fā)送到FPGA中進行配置。此配置方法不需要任何硬件動作和專業(yè)的軟件，只需要使用CPU的8個I/O口，編一小段程序就可以實現(xiàn)FPGA的動態(tài)配置。

2.2 硬件實現(xiàn)

實現(xiàn)在線升級功能，硬件上需要將FPGA的8根信號線： CCLK、DI、DONE、INITN、PROGRAM、CFG0、CFG1、CFG2，分別連接到MPC8270的8個I/O口，其中CLK、DATA、FPGA_PROGRAM、FPGA_CFG0、FPGA_CFG1、FPGA_CFG2為輸出態(tài)，STATUS、STATUS1為輸入態(tài)。在升級前，需要對MPC8270的這8個I/O口進行輸入輸出配置。

2.3 升級過程

升級時，先將FPGA編譯生成的.bit文件放入到CPU的內(nèi)存中去，再將CFG0、CFG1、CFG2配置為1、0、1，隨后CPU的FPGA_PROGRAM信號發(fā)一個大于8ns的低脈沖信號，通知FPGA開始編程，同時監(jiān)測INITN和DONE信號。當FPGA接收到CPU發(fā)出的FPGA_PROGRAM低脈沖時，INITN會迅速輸出一個低脈沖，同時將DONE拉低。當CPU監(jiān)測到INITN的低脈沖和DONE由高變低后，知道FPGA已準備好接收升級數(shù)據(jù)，可以朝它發(fā)數(shù)據(jù)了，接著將CPU內(nèi)存中的.bit文件通過DI腳串行發(fā)送到FPGA內(nèi)，一個CCLK向DI內(nèi)發(fā)送一個bit數(shù)據(jù)，當文件發(fā)送完畢后，由于配置文件中已經(jīng)包含了FPGA初始化的一些代碼，所以傳輸完配置文件后，F(xiàn)PGA就可以正常工作了，此時，F(xiàn)PGA會將DONE信號置高，表示升級已完成。

CPU檢測到DONE信號變高后，完成在線升級。如果傳輸中出現(xiàn)了異常，DONE信號將一直為低，如保持低電平時間如果超出升級所需時間，結(jié)束升級并報錯，此時，需要重新升級。

2.4 升級配置時序

升級配置時序圖如圖1所示。

整個升級過程要嚴格按照配置時序來進行。

3 軟件實現(xiàn)

軟件部分是通過下載配置文件、配置端口和讀取數(shù)據(jù)來完成升級的。先在PC機上發(fā)命令將升級配置文件（.bit文件）存在MPC8270的內(nèi)存里，然后配置升級所需的端口，利用微處理器的I/O口產(chǎn)生配置時序，串行將升級配置數(shù)據(jù)送入FPGA中自動完成配置。升級主要程序如下：

圖1：升級配置時序圖

4 結(jié)束語

本文所描述的FPGA在線升級的設(shè)計已經(jīng)在實際系統(tǒng)中得到了應用，取得了良好效果。本設(shè)計雖然是針對MPC8270和LATTICE的LFE2M20E來實現(xiàn)在線升級的，但對于應用LATTICE公司其它系列的FPGA和其他的微處理器，只要微處理器控制部分稍做改動即可加以應用。這一點在日益興起的軟件無線電系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景并能滿足某些用戶對于在線調(diào)試、更新和維護的需求。