一種遠(yuǎn)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(huán)境下，因缺乏靈活性，不易操作，對(duì)設(shè)備使用產(chǎn)生制約。本文提出一種遠(yuǎn)程配置FPGA的方法，該方法利用PC機(jī)，通過以太網(wǎng)接口向Zynq傳輸配置文件，Zynq按照FPGA相應(yīng)的配置時(shí)序，完成遠(yuǎn)程配置工作。

關(guān)鍵詞：FPGA；遠(yuǎn)程配置；Zynq；AXI

中圖分類號(hào)：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0120-01

1 引言

近年來，F(xiàn)PGA技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、信息、信號(hào)處理等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的JTAG方式配置FPGA，強(qiáng)依賴于本地開發(fā)環(huán)境。當(dāng)FPGA設(shè)備處于特殊環(huán)境時(shí)，遠(yuǎn)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(tǒng)（Processing System，PS）和可編程邏輯（Programmable Logic，PL）結(jié)合到單芯片內(nèi)，并推出了PS與PL間的高速AXI總線。本文利用PC和Zynq完成對(duì)FPGA的遠(yuǎn)程配置工作，充分發(fā)揮以太網(wǎng)、AXI等高速接口的特性，實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程配置。

2 方案原理

遠(yuǎn)程配置，通常是指配置文件在一臺(tái)PC上，待配置設(shè)備位于遠(yuǎn)端，二者可通過互聯(lián)網(wǎng)連接。PC的作用是將配置文件通過以太網(wǎng)傳輸給設(shè)備。在設(shè)備中，包含一個(gè)Zynq SOC。該單元主要負(fù)責(zé)接收PC傳來的配置文件，并完成對(duì)FPGA的具體配置工作。

在Zynq中，包括PS和PL兩個(gè)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(wǎng)控制器等。AXI是Zynq中引入的新概念，它是Advanced eXtensible Interface的簡稱，可實(shí)現(xiàn)PS與PL間高速的數(shù)據(jù)交互。Zynq中AXI接口共有9個(gè)，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(chǔ)器上。然后PS通過AXI接口將配置數(shù)據(jù)傳遞給PL。PL一邊接收數(shù)據(jù)，一邊實(shí)現(xiàn)FPGA的相應(yīng)配置時(shí)序，最終完成配置工作。

3 具體實(shí)現(xiàn)

以Altera Stratix IV為例說明，Zynq SOC采用Zynq-7000系列的XC7Z030，普通PC機(jī)一臺(tái)。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(wǎng)口將配置文件發(fā)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(shù)據(jù)，通過AXI接口，發(fā)送給PL。因配置文件通常為10幾兆，因此傳輸時(shí)分片傳輸，每次可傳K級(jí)別數(shù)據(jù)。

（3）PL一邊接收數(shù)據(jù)，一邊實(shí)現(xiàn)Stratix IV的配置時(shí)序，邊收數(shù)據(jù)，邊配置。

（4）PS每傳一片數(shù)據(jù)，都要等待PL配置完成，并且檢驗(yàn)糾錯(cuò)，正確時(shí)才可傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

（5）重復(fù)（3）（4）步驟，至全部配置數(shù)據(jù)，傳輸配置完成。

（6）Zynq SOC將配置結(jié)果（成功或失?。ㄟ^以太網(wǎng)上報(bào)給PC。至此，完成遠(yuǎn)程配置。

流程圖如圖2所示。

需要注意，當(dāng)PC向Zynq傳送配置文件時(shí)，需要先將文件的標(biāo)志信息（文件名、長度）傳過去，Zynq會(huì)在本地新建同名文件。然后PC再把將文件的數(shù)據(jù)信息傳過去，Zynq會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到剛剛新建的文件中，以此實(shí)現(xiàn)配置文件的同步傳送。

進(jìn)行AXI數(shù)據(jù)通信時(shí)，本文選用AXI GP接口，該接口比AXI HP、AXI ACP實(shí)現(xiàn)簡單?？蛇x擇數(shù)據(jù)位寬32bit或64bit，經(jīng)典的寄存器思想，選擇32bit寬時(shí)，每個(gè)AXI GP設(shè)備最多擁有512個(gè)寄存器資源，這也限制了傳送配置文件數(shù)據(jù)時(shí)，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(jié)語

借助Xilinx的Zynq SOC平臺(tái)，將PS和PL的設(shè)計(jì)資源合理利用，充分發(fā)揮以太網(wǎng)和AXI等高速接口的性能，高效的完成FPGA的遠(yuǎn)程配置工作。本方法已在項(xiàng)目中得到實(shí)際運(yùn)用。該方法實(shí)現(xiàn)巧妙，兼容性強(qiáng)，為硬件程序更新帶來了便利。

參考文獻(xiàn)

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