一種基于SSP接口的FPGA被動配置方法

尹凱

摘要：本文實現(xiàn)了一種基于SSP接口的FPGA被動配置方法，對FPGA的被動串行配置進(jìn)行了詳細(xì)討論，給出了硬件電路設(shè)計和SSP接口的操作方法。

關(guān)鍵詞：SSP;FPGA被動配置;Linux

1. 引言

FPGA在上電之后，需要從外部電路獲取配置數(shù)據(jù)并載入到內(nèi)部的配置SRAM中才能正常工作。本文主要討論了一種基于外部處理器SSP接口發(fā)送配置數(shù)據(jù)的方法，既可以保證配置速度又簡化了硬件連接。

2.FPGA配置方式

Altera公司的Cyclone系列FPGA支持三種配置方式：AS模式（主動串行模式）、PS模式（被動串行模式）和JTAG模式。這三種配置方式由模式選擇管腳（MSEL1、MSEL0）的電平值決定，其主要區(qū)別是配置過程中FPGA所處的地位和加載配置數(shù)據(jù)的方式不同。本文使用其中的PS模式，實現(xiàn)外部處理器對FPGA的串行配置。

2.1PS配置過程

PS模式中主要用到的FPGA配置管腳包括：

lDCLK：配置時鐘;

lDATA0：配置數(shù)據(jù);

lnCONFIG：配置命令;

lnSTATUS：配置狀態(tài)指示;

lCONF_DONE：配置完成指示。

在PS模式下FPGA處于從屬地位，接收來自外部的配置命令、配置時鐘和配置數(shù)據(jù)，并給出配置狀態(tài)信號以及配置完成指示信號，時序波形如下圖所示。

外部控制器（ARM、單片機(jī)等）控制整個配置過程。在配置期間，配置數(shù)據(jù)在DCLK管腳的時鐘信號上升沿通過DATA0管腳鎖存至FPGA中。FPGA要求每字節(jié)數(shù)據(jù)從LSB（最低有效位）開始發(fā)送，比如配置文件包含的字節(jié)順序為0x02 0x1B，那么串行二進(jìn)制流的發(fā)送順序就是0100-0000 1101-1000。

2.2PS配置文件

Altera的開發(fā)環(huán)境QuartusII編譯后自動生成的sof和pof格式的配置文件，不能用于PS模式，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化將sof文件轉(zhuǎn)換為rbf文件。

3.SSP接口電路設(shè)計

在本設(shè)計中，外部處理器使用的是MARVELL公司的PXA270，通過配置其GPIO管腳的復(fù)用功能實現(xiàn)SSP（同步串行協(xié)議）通信接口，處理器與FPGA配置管腳的連接關(guān)系如下圖所示。

3.1GPIO工作模式

對于具有復(fù)用功能的GPIO管腳，通過GPIO控制器的相應(yīng)寄存器來配置其工作模式。根據(jù)我們所選用GPIO管腳的編號范圍（GPIO23～GPIO27），使用的寄存器名稱及作用如下：

lGPLR0（GPIO電平狀態(tài)寄存器0）

讀取GPIO管腳的電平狀態(tài)，每一位對應(yīng)一個GPIO管腳。

lGPSR0（GPIO輸出設(shè)置寄存器0）

控制GPIO管腳輸出高電平，每一位對應(yīng)一個GPIO管腳。

lGPCR0（GPIO輸出清除寄存器0）

控制GPIO管腳輸出低電平，每一位對應(yīng)一個GPIO管腳。

lGPDR0（GPIO方向寄存器0）

配置GPIO管腳為輸出或者輸入，每一位對應(yīng)一個GPIO管腳。

lGAFR0_U（GPIO復(fù)用功能寄存器0）

配置GPIO管腳復(fù)用功能，每兩位對應(yīng)一個GPIO管腳。

GPIO管腳的工作模式配置及寄存器取值如下表所示，各寄存器的物理地址詳見處理器的數(shù)據(jù)手冊。

3.2SSP接口時序

PXA270的SSP接口支持多種通信協(xié)議，包括TI的同步串行協(xié)議、Motorola的SPI協(xié)議、NI的Microwire協(xié)議等。這里使用Motorola的SPI通信協(xié)議，其接口時序如下圖所示。根據(jù)GPIO管腳的工作模式配置，我們只使用其中的SSPSCLK和SSPTXD信號用于發(fā)送FPGA的配置時鐘和配置數(shù)據(jù)。

這里需要注意的是，處理器的SSP接口在發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)時是從MSB（最高有效位）開始發(fā)送，而FPGA要求每字節(jié)數(shù)據(jù)從LSB（最低有效位）開始發(fā)送，所以在配置程序中需要增加一個數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過程。

4.Linux上配置程序?qū)崿F(xiàn)

配置程序運行在Linux的用戶空間，rbf文件存放在與處理器相連的Flash指定分區(qū)中，rbf文件名作為參數(shù)傳遞給配置程序并通過文件訪問函數(shù)進(jìn)行讀取，配置程序的實現(xiàn)流程如下圖所示。

其中PS模式配置流程的具體操作步驟如下：

1）設(shè)置nCONFIG=0，保持2us以上;

2）檢測nSTATUS，若為0表示FPGA已響應(yīng)配置請求，否則出錯;

3）設(shè)置nCONFIG=1，等待不超過40us;

4）檢測nSTATUS，若為1表示FPGA可以開始進(jìn)行配置;

5）在DCLK的每個上升沿，通過DATA0輸入比特流數(shù)據(jù);

6）待所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，CONF_DONE應(yīng)變?yōu)?，表示FPGA配置完成。

對nCONFIG、nSTATUS和CONF_DONE管腳的操作，通過讀寫相應(yīng)GPIO寄存器即可實現(xiàn)，這里主要對SSP控制器的操作進(jìn)行說明。

1.1SSP接口初始化

SSP接口初始化使用到的SSP寄存器如下：

a）SSCR0_1（SSP1控制寄存器0）

b）SSCR1_1（SSP1控制寄存器1）

通過SSCR0_1寄存器配置SSP接口的工作模式，數(shù)據(jù)位數(shù)、時鐘頻率;通過SSCR1_1寄存器配置SSP接口的極性、相位等參數(shù)。最后通過SSCR0_1寄存器使能SSP1接口。初始化代碼如下：

static void set_ssp_reg（void）

{

//----Control Register 0----//

int sscr0 = read_reg（SSP_SSCR0）;

sscr0 &= ～FRF; //Motorola

sscr0 &= ～MOD;

sscr0 |= （TIM | RIM）;

//16-bit data

sscr0 &= ～（0xF）;

sscr0 |= DSS;

sscr0 &= ～EDSS;

//Clock 6.5MHz

sscr0 &= ～ACS;

sscr0 &= ～NCS;

sscr0 &= ～ECS;

sscr0 &= ～（0xFFF << 8）;

sscr0 |= SCR;

write_reg（SSP_SSCR0， sscr0）;

//----Control Register 1----//

int sscr1 = read_reg（SSP_SSCR1）;

sscr1 &= ～（0x3fc0）;

sscr1 |= TFT; //Set TX fifo level

sscr1 |= RFT; //Set RX fifo level

sscr1 &= ～RWOT; //Tx Rx mode

sscr1 &= ～SPH; //Phase

sscr1 &= ～SPO; //Polarity

sscr1 &= ～LBM;

sscr1 &= ～TIE;

sscr1 &= ～RIE;

write_reg（SSP_SSCR1， sscr1）;

//----Control Register 0----------------//

sscr0 = getmem（SSP_SSCR0）;

sscr0 |= SSE;

putmem（SSP_SSCR0， sscr0）;

}

1.2SSP接口數(shù)據(jù)發(fā)送

SSP接口數(shù)據(jù)發(fā)送使用到的SSP寄存器如下：

a）SSSR_1（SSP1狀態(tài)寄存器）

b）SSDR_1（SSP1數(shù)據(jù)寄存器）

通過SSSR_1寄存器讀取當(dāng)前發(fā)送FIFO的狀態(tài)，如果發(fā)送FIFO不滿，則在SSDR_1寄存器中寫入新數(shù)據(jù)，直到配置數(shù)據(jù)發(fā)送完成。發(fā)送代碼如下：

static int ssp_xmit（u16 b）

{

while（！（getmem（SSP_SSSR） & TNF））;

putmem（SSP_SSDR， b）;

return 0;

}

5. 結(jié)束語

本文主要實現(xiàn)了基于外部處理器SSP接口的FPGA被動串行配置，具有接口簡單、加載速度快、通用性強等特點。基于linux實現(xiàn)的配置程序方便移植和使用，通過分時加載不同的配置文件可以實現(xiàn)FPGA的動態(tài)配置。

參考文獻(xiàn)

[1] Marvell Inc.Marvell PXA270 Processor Developers Manual， 2009

[2] Altera Inc.Cyclone III Device Handbook， 2012

[3]王黎明.深入淺出XScale嵌入式系統(tǒng).北京航空航天大學(xué)出版社， 2011