摘要：與通常采用外圍的CPLD器件和CPU來產生配置接口控制邏輯的方法不同，本文設計了采用嵌入到FPGA" title="FPGA">FPGA的Leon3" title="Leon3">Leon3開源CPU軟核來控制實現Virtex系列FPGA的SelectMap接口配置的方法，可將其應用于對FPGA芯片的在線配置。該方法設計成本低，不局限于某一類型的FPGA芯片，減少了外圍分立元件的使用，增強了設計的靈活性。仿真結果表明該設計滿足SelectMap接口配置所需控制邏輯要求，可以完成FPGA的并行配置。
關鍵詞：FPGA；嵌入式CPU；Leon3軟核；SelectMap接口
引言
嵌入式系統的硬件通常包括CPU、存儲器和各種外設器件，其中CPU是系統的核心，其重要性不言而喻。隨著FPGA和SOPC技術的發展，基于FPGA的嵌入式系統與傳統的嵌入式系統相比，具有設計周期短、設計風險和設計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復等優點。基于FPGA的嵌入式系統設計技術和市場逐漸成熟，使得嵌入式CPU軟核(如Xilinx公司推出的MicroBlaze、Altera公司的Nios、歐空局開發的Leon3軟核等)的大量應用成為可能。
Virtex系列FPGA是Xilinx公司推出的一種高密度、大容量的現場可編程門陣列。該系列FPGA可支持動態重構，當FPGA邏輯功能需要轉換，如算法改進或是發現設計上的錯誤，或FPGA配置數據發生錯誤而導致功能失效(如在空間輻射環境下的單粒子翻轉效應導致配置數據錯誤等)，則需要對FPGA進行重新配置。通常采用的配置系統由CPU、CPLD、FPGA和存儲器構成。本文結合具體應用需求，介紹了利用嵌入式CPU Leon3軟核處理器對Virtex系列FPGA的配置進行控制的方法。此系統能夠實現FPGA配置數據的重構，并且減少了外圍CPU和CPLD器件的使用，具有很好的應用價值。
1 Leon3軟核
Leon3是歐空局開發的32位CPU軟核，其標準版是一種開源的軟核，使用GNU LGPL授權協議，可以免費地應用于研究、教學和商業目的。Leon3軟核使用VHDL語言描述，與SPARC V8兼容，使用7級流水線，集成了全流水的IEEE-754浮點處理器，提高了對多處理器的支持。由于Leon系列指令集符合SPARC V8標準，外部總線符合AMBA標準，兼容軟件和IP核資源極其豐富，加上其開放源代碼的策略，對它的研究和應用受到了廣泛的關注。Leon3軟核具有良好的可配置性和可移植性，能夠根據需要靈活地選擇外圍控制器。并且該軟核不是FPGA廠商推出的，因此可以應用于不同類型的FPGA芯片。Leon3開源軟核的Grlib IP庫中提供了多種功能模塊，如串口控制器、存儲器控制器、通用可編程I／O等，把該軟核及其外圍的控制模塊集成到FPGA中，構成一個嵌入式片上系統。
2 SelectMap接口配置系統設計
2．1 Virtex系列FPGA配置方式
Virtex系列FPGA基于SRAM工藝，共有4種配置方式：主串(master serial)、從串(slave setial)、SelectMap和邊界掃描(boundarysca-n)。串行(主串或從串)模式需要的配置信號少(PROGRAM、CCLK、DIN、INIT、DONE)，FPGA在配置時鐘的上升沿接收1位配置數據，該配置方式速度較慢。邊界掃描模式沒有存儲芯片，掉電后需重新配置，所以該種配置方式多用于調試階段。SelectMap模式是一種8位并行配置模式，它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式，其配置時鐘最高可達66MHz，每個配置時鐘周期內有8位配置數據下載到FPGA內。在對配置速度要求較高的一些應用場合，一般采用SelectMap配置方式。
SelectMap配置方式所需引腳及相應功能如表1所列。表中BUSY信號是握手信號，只有當配置時鐘的頻率超過50MHz時才起作用，本設計的配置時鐘頻率低于50MHz，因此不使用BUSY信號。M(2：0)是模式選擇信號，在SelectMap配置模式下，M(2：0)應置為110。
2．2 SelectMap接口配置硬件設計實現
本文設計的SelectMap接口配置系統由兩片FPGA和存儲器(Flash)構成，如圖1所示。設計中FPGA1選用了Xilinx公司Virtex系列芯片Virtex-5 XC5VSX95T" title="Virtex-5 XC5VSX95T">Virtex-5 XC5VSX95T，是需要進行配置的芯片。FPGA2內部嵌入了Leon3 CPU軟核，可利用該CPU軟核的存儲控制器模塊對Flash進行讀寫控制；利用FPGA內部豐富的資源，在FPGA2內部集成一個自定義的SelectMap接口控制IP核，主要用來產生FPGA的配置信號，這些SelectMap配置信號的狀態由嵌入在FPGA2內部的CPU Leon3軟核監控。該設計采用開源的Leon3軟核CPU，并且充分利用了FPGA豐富的資源，與通常的SelectMap配置系統相比，設計成本低，設計較靈活。
Flash存儲器采用Intel公司的JS28F256P30T95，具有32 MB的存儲空間，用來存儲FPGA1的配置數據。因為Flash的每個地址空間中存儲著16位數據，Leon3 CPU處理器讀取Flash地址中的數據，然后把數據以字節形式傳送到FPGA2。這個過程中，CPU處理器所在的FPGA2為FPGA1提供配置時序控制信號。這些控制信號的產生由FPGA2內部集成的SelectMap接口控制IP核實現。該IP核的功能模塊由3個寄存器組成：配置寄存器、編程寄存器和輸入寄存器。每次CPU對Flash進行讀或寫操作時，這些寄存器存儲FPGA1的配置信號數據。其中配置寄存器和編程寄存器為只寫寄存器，輸入寄存器為只讀寄存器。詳細的邏輯框圖如圖2所示。CPU數據線在SelectMap接口控制IP核內部寄存器的構成如表2所列。
該配置邏輯模塊完成以下幾方面的功能：啟動FPGA1配置時序；向FPGA1內部傳入配置數據；監測FPGA1是否正常配置。使用嵌入式CPU軟核配置FPGA1的流程如下：
①啟動FPGA1的配置時序。CPU地址線選中FPGA2內部編程寄存器，數據線輸出FPGA1配置控制信號CS、WRITE和PROGRAM，將CS和WRITE置低，PROGRAM置高。
②監測FPGA的配置狀態。CPU地址線選中FPGA2內部輸入寄存器，接收FPGA1的輸出信號INIT，若其值為高，那么CPU開始發出FPGA1的配置數據，否則持續檢查INIT的值，直到其值為1。
③向FPGA1內傳送配置數據。CPU地址線選中FPGA2內部配置寄存器，數據線Data[15：8]輸出FPGA1的配置數據，Data[0]產生配置時鐘CCLK，在CCLK的上升沿FPGA1接收配置數據。配置數據傳送分兩步，首先Data[0]置0，然后Data[0]置1。CCLK產生一個上升沿，在此過程中Data[15：8]數據保持不變。重復此過程，CPU輸出FPGA1全部配置數據。
④檢查FPGA1是否配置成功。FPGA1的配置數據被傳送至結束時，CPU地址線選中FPGA2內部輸入寄存器，接收FPGA1的輸出信號DONE。若其值為高時，說明FPGA1配置成功，否則需要重新配置FPGA1。
SelectMap接口配置方式下FPGA的時序如圖3所示。
3 仿真及分析
FPGA2采用Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T，SelectMap接口控制IP核采用VHDL語言實現，嵌入式CPU軟核采用的是歐空局開發的Lcon3軟核。在XilinxISE 10．1平臺下完成對Lcon3 CPU軟核處理器、外圍控制器及自定義SelectMap接口控制IP核集成的設計、綜合，利用Modelsim SE6．0完成仿真。
SelectMap配置仿真波形如圖4所示。由于FPGA1(Virtex-5 XC5VSX95T)的配置數據較大，仿真出完整的配置過程是不現實的，圖中用5個字節的配置數據來代替FPGA的完整配置過程。為了把配置寄存器數據Data和并行配置的8位數據相對照，分離出了Data的高8位Data[15：8]。從圖中可以看出，在一次完整的配置過程中，CS和WRITE為低，PROGRAM為高，當監測到INIT為高時發出配置數據，在配置時鐘CCLK的上升沿接收8位配置數據，DONE信號為高電平指示配置完成。該仿真結果和SelectMap配置方式的FPGA時序一致，證明了本設計的正確性及可行性。
結語
通過使用嵌入式Lcon3 CPU軟核和FPGA及開發板上的存儲器件，實現了對Xilinx公司的FPGA進行SelectMap配置的一種有效的方案。這種方法減少了外圍器件的數目，增加了硬件系統地靈活性。此外，該方法除了可以完成FPGA芯片的配置外，更重要的是可以靈活地在線升級系統、修改和調試FPGA程序。如果存儲空間夠大，可以存儲不同功能的FPGA程序代碼，這樣就可根據實際情況來加載不同代碼，甚至通過通信接口也可以方便地實現遠程下載代碼和更新系統，使整個系統可在線配置，增強了系統的適用性和靈活性。