基于嵌入式微控制器與FPGA通過配置的效率和靈活性

作者：常青，李大軍，喬紅宇，梅順良

在現(xiàn)今的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，以“嵌入式微控制器+FPGA”為核心的體系結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)大的處理能力和靈活的工作方式而被廣泛采用。嵌入式微控制器的優(yōu)勢在于將微處理器內(nèi)核與豐富多樣的外圍接口設(shè)備緊密結(jié)合，在提供強(qiáng)大的運(yùn)算、控制功能的同時，降低了系統(tǒng)成本和功耗，因而適合作為數(shù)字系統(tǒng)的控制核心；FPGA的優(yōu)勢在于超高速、豐富的邏輯資源以及用戶可靈活配置的邏輯功能，適用于邏輯接口功能多種多樣、靈活可變的場合。將二者結(jié)合形成優(yōu)勢互補(bǔ)，如有需要，再配以適當(dāng)?shù)膶Ｓ?a target="_blank">芯片（例如音視頻編解碼器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器等）。這種體系結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。

如系統(tǒng)中包含可編程器件，就必須考慮其功能配置的問題。然而，傳統(tǒng)的FPGA配置方案（例如調(diào)試階段的專用下載電費(fèi)方式、成品階段的專用存儲器方式）在成本、效率、靈活性等方面都存在著明顯的不足。針對這樣的實(shí)際問題，基于嵌入式微控制器與FPGA廣泛共存于復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的背景，考慮到大量數(shù)字系統(tǒng)要求接入internet的現(xiàn)狀，借鑒軟件無線電“一機(jī)多能”的思想，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)和Internet的FPGA動態(tài)配置方案。該方案的提出，旨在基于系統(tǒng)現(xiàn)有的、通用的軟硬件資源，盡可能地提高FPGA配置的效率和靈活性。實(shí)踐證明，該方案可行、實(shí)用，達(dá)到了設(shè)計目的。

1 FPGA配置的期基本問題及現(xiàn)有的解決方案

為輪述方便，將基于SRAM工藝的FPGA的配置流程用圖1所示的模型表示。從圖1中可以看到，F(xiàn)PGA的配置過程實(shí)質(zhì)上是兩次數(shù)據(jù)的傳輸過程（分別由配置數(shù)據(jù)源到時序控制器和時序控制器到目標(biāo)FPGA）。因此，將這兩次關(guān)鍵的數(shù)據(jù)傳輸作為FPGA配置的兩個基本問題，并在下文中針對不同的傳輸方式討論各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而尋求合理的解決方案。

傳統(tǒng)的配置方式包括應(yīng)用于調(diào)試階段的專用下載電費(fèi)方式和應(yīng)用于成員階段的專用 非易失性存儲器方式。在這兩種方式中，上文所提到的兩次數(shù)據(jù)傳輸完全由FPGA廠商所提供的軟硬件完成。這樣的解決方案確實(shí)方便了一般的FPGA用戶，因為他們不必花費(fèi)精力關(guān)心配置的細(xì)節(jié)，但同時也不得不面對不少的缺陷：首先，專用下載電費(fèi)和專用非易失性存儲器的成本非常高，雖然用戶可以根據(jù)FPGA廠商提供的原理圖自制下載電纜，但專用非易失性存儲器是肯定無法自制的，而且有些不支持ISP（在系統(tǒng)可編程）的器件不定期必須配以合適的編程器，進(jìn)一步增加了開發(fā)的成本；第二，常見的專用下載電費(fèi)都是使用計算機(jī)并口產(chǎn)生串行的配置信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離非常有限；第三，專用非易失性存儲器的配置方式?jīng)Q定了目標(biāo)FPGA只能接收單一配置文件，即在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，F(xiàn)PGA不可能根據(jù)不同情況動態(tài)調(diào)整邏輯功能，這樣的設(shè)計無法滿足某些應(yīng)用中對于系統(tǒng)靈活性的要求。

首先，專用下載電纜和專用非易失性存儲器的成本非常高，雖然用戶可以根據(jù)FPGA廠商提供的原理圖自制下載電費(fèi)，但專用非易失性存儲器是肯定無法自制的，而且有些不支持ISP（在系統(tǒng)可編程）的器件還必須配以合適的編程器，進(jìn)一步增加了開發(fā)的成本；第二，常見的專用下載電纜都是使用計算機(jī)并口產(chǎn)生串行的配置信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離信號，而以并口線作為傳輸媒介，注定其有效傳輸距離非常有限；第三，專用非易失性存儲器的配置方式?jīng)Q定了目標(biāo)FPGA只能接收單一配置文件，即在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，F(xiàn)PGA不可能根據(jù)不同情況動態(tài)調(diào)整邏輯功能，這樣的設(shè)計無法滿足某些應(yīng)用中對于系統(tǒng)靈活性的要求。

針對上述各種缺陷，有人提出了改進(jìn)方案，例如在系統(tǒng)中存在微控制器的前提下，用通用異步串口RS232替代專用的配置電纜、用通用的非易失性存儲器替代專用的非易失性存儲器。這些改進(jìn)方案在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)配置方案的不足，但也存在一些新的缺陷：通用異步串口的傳輸速率很有限，無法滿足目前一些新的缺陷：通用異步串口的傳輸速率很有限，無法滿足目前一些大規(guī)模FPGA的配置要求；傳輸距離雖有明顯提高，但仍然無法滿足某些用戶對于遠(yuǎn)程、跨區(qū)域的測試、維護(hù)和更新的需要。

2 基于嵌入式微控制器和internet的解決方案

2．1 方案綜述

本設(shè)計的目標(biāo)是基于系統(tǒng)中已有的軟硬件資源，盡可能提高FPGA配置的效率和靈活性?？紤]到相當(dāng)多的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)：（1）包含微控制器（具有多個通用I/O）及其程序存儲器； （2）具有接入Internet的能力（例如系統(tǒng)硬件中包含以太網(wǎng)接口，軟件中移植了TCP/IP協(xié)議），提出一種新的FPGA配置方案，如圖2所示。從圖2中可以看出，這種方案的實(shí)質(zhì)是將Internet作為傳輸配置數(shù)據(jù)的媒體，并用嵌入式微控制器的程序存儲器存儲這些數(shù)據(jù)，從而完成第一節(jié)中提到的第一次數(shù)據(jù)傳輸；在嵌入式微控制器的通用I/O上實(shí)現(xiàn)FPGA配置時序，從而完成第二次數(shù)據(jù)傳輸。

為驗證這種方案的可行性和有效性，在船載自動識別系統(tǒng)（AIS）的設(shè)計中實(shí)現(xiàn)了該方案。相關(guān)的主要器件包括：CPU采用SAMSUNG公司的S3C44B0X；程序存儲器采用MACRONIX公司的MX29LV160ABTC；FPGA采用XILINX公司的XC2S200PQ208；以太網(wǎng)控制器采用REALTEK公司的RTL8019AS。上述器件均具有同類產(chǎn)品的一般特性，因而這一設(shè)計實(shí)例并不驗證的一般性。

2．2 配置文件的傳輸協(xié)議TFTP

［table］［/table］

在方案的驗證實(shí)例中，使用基于UDP的TFTP協(xié)議在以太網(wǎng)內(nèi)傳輸配置文件，協(xié)議棧如圖3所示。由于UDP屬于不可靠的面向無連接的傳輸協(xié)議，因此在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的廣域網(wǎng)上傳輸FPGA配置數(shù)據(jù)并不適合采用TFTP協(xié)議，而必須采用可靠的、基于TCP的應(yīng)用層協(xié)議（例如FTP協(xié)議）。此處采用TFTP，完全是由于適應(yīng)AIS的運(yùn)行環(huán)境、簡化性能測試的考慮，而且在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了部分TCP的功能（例如偽連接、簡單的應(yīng)答和重發(fā)、數(shù)據(jù)包排序等功能），可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)的TFTP（Trivial File Transfer Protocol）是一種基于UDP的、簡單的文件傳輸協(xié)議。TFTP的設(shè)計目標(biāo)是簡單小巧且易于實(shí)現(xiàn)，因此遠(yuǎn)不如采用多重并發(fā)TCP連接的FTP功能強(qiáng)大（例如TFTP不支持目錄列表和用戶權(quán)限驗證，而且傳輸效率比較低）。

TFTP的基本通信過程為：客戶端向服務(wù)器發(fā)出讀或?qū)懻埱?；如果服?wù)器接收讀寫請求，正式的數(shù)據(jù)傳輸開始，每段數(shù)據(jù)長度固定為512字節(jié)；長度小于512字節(jié)的數(shù)據(jù)段標(biāo)志傳輸結(jié)束。此外，協(xié)議中還規(guī)定了超時、重發(fā)等異常處理機(jī)制。

在具體實(shí)現(xiàn)中，將TFTP服務(wù)器（待配置FPGA所在的目標(biāo)系統(tǒng)）設(shè)計成具有三個狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，其邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。PC機(jī)一端直接使用DOS下的TFTP命令。

2．3 FPGA配置文件及配置流程

用微控制器的通用I/O實(shí)現(xiàn)FPGA配置必須準(zhǔn)確掌握：（1）配置文件的格式；（2）配置信號的時序。

一般來說，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件可以生成多種不同類型的配置文件，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選用這些配置文件。本設(shè)計采用.bin文件。值得注意的是，對于某一特定的芯片，無論設(shè)計簡單或是復(fù)雜，其配置的數(shù)據(jù)的長度是固定的，但配置文件大小卻因類型的不同而有所差異。

常見的FPGA配置模式包括主動串行模式、被動串行模式、被動并行模式和邊界掃描模式等。為與常見的下載電費(fèi)兼容并節(jié)約微控制器的I/O口線，本實(shí)現(xiàn)采用被動串行模式。圖5為配置子程序的流程圖。

基于微控制器和互聯(lián)網(wǎng)的配置方案在傳輸速率、傳輸距離上較其他方案均有明顯優(yōu)勢，同時又符合軟件無線“一機(jī)多能”的設(shè)計思想，并能滿足某些用戶對于在線調(diào)試、更新和維護(hù)的需求。此外，必須看到，新方案在具備種種優(yōu)勢的同時，對用戶設(shè)計的軟件提出了一定的要求。事實(shí)上，完全具備這些軟硬件條件（例如移植TCP/IP協(xié)議、使用嵌入式微控制器）符合現(xiàn)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的趨勢，設(shè)計該配置方案的初衷正是基于這種設(shè)計理念，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。

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