CN109408924B

CN109408924B - 基于dsp芯片的fpga配置方法

Info

Publication number: CN109408924B
Application number: CN201811190013.4A
Authority: CN
Inventors: 张慧勇; 白璐瑶
Original assignee: Beijing Institute of Specialized Machinery
Current assignee: Beijing Institute of Specialized Machinery
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: CN109408924A

Abstract

本发明涉及一种基于DSP芯片的FPGA配置方法，属于FPGA电路设计技术领域。本发明采用DSP来配置FPGA芯片，省去了FPGA专用配置芯片，将FPGA配置程序文件数据转换后烧写入DSP芯片的FLASH中，降低硬件成本。设备上电时，DSP程序模拟FPGA配置时序，将配置程序从自身FLASH存储器传入FPGA中，实现FPGA配置。DSP的FLASH程序容易通过串口、CAN、以太网等方式实现升级，便于FPGA程序更新，该方法不需要拆卸硬件设备连接仿真器，有效提高了软件升级的效率。

Description

基于DSP芯片的FPGA配置方法

技术领域

本发明属于FPGA电路设计技术领域，具体涉及一种基于DSP芯片的FPGA配置方法。

背景技术

目前，复杂的数字控制电路中一般都包含DSP(或MCU)和FPGA两个主控芯片，DSP主要实现逻辑算法功能，FPGA主要实现接口扩展功能，二者相互配合实现设备所需功能。但FPGA需要专用的配置芯片来完成程序的存储及加载，FPGA配置芯片价格不菲，且占一定的电路板面积，不利用设备的小型化；而且FPGA软件升级一般都是通过JTAG接口，连接专用仿真器的方法完成FPGA软件配置和升级，该方式需要设备拆卸开盖，将印制电路板中JTAG接口露出连接仿真器，软件升级费时费力。

因此，需要设计一种可以省去配置芯片的FPGA配置方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种可以省去配置芯片的FPGA配置方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双基于DSP芯片的FPGA配置方法，包括以下步骤：

第一步，进行硬件电路设计

FPGA采用Altera公司的Cyclone III系列芯片EP3C10E144，将FPGA配置为PS方式，即MESEL0、MESEL1、MESEL2引脚接地；DSP采用TI公司的28系列芯片TMS320F28335，将DSP的5个GPIO引脚与FPGA相连；

第二步，进行DSP的FLASH存储区分配

DSP28335的FLASH存储区分为8个Sector：A、B、C、D、E、F、G、H，每个FLASH区大小为32K字，共计256K字，将DSP的FLASH内部存储空间分为两部分，分别用来放DSP程序、FPGA配置程序，二者共用一个FLASH，DSP程序存放在A、B、C、D四个区，DSP上电后程序自动跳转到该区域，执行DSP程序，FPGA配置程序放在E、F、G、H四个区，起始地址为0x300000；

FLASH烧写文件采用*.hex文件，为Intel-HEX格式，Intel-HEX文件记录了DSP芯片FLASH数据的存储位置，文件由多行数据组成，每行HEX数据包括6个部分：行起始符、数据字节数、FLASH装载起始地址、记录类型、数据、校验和；

第三步，进行FPGA配置文件格式转换及FLASH烧写

QuartusII通过设置自动产生*.ttf文件，该文件以8位十进制ascii码数据格式保存FPGA配置程序；

通过将*.ttf文件内容按照一定时序发送到FPGA实现DSP配置FPGA，FPGA配置程序烧写入FLASH采用如下方法：

用记事本方法打开*.ttf文件，将*.ttf文件中的数据复制到DSP程序中，作为DSP程序的中一个常量数组const，和DSP程序一同编译、链接后，生成*.out或*.hex文件；当DSP程序烧写入FLASH内时，FPGA配置程序同时也存储入FLASH中。

优选地，第三步中，将FPGA配置程序烧写入FLASH采用的方法替换为如下方法：

设计一个可执行脚本文件，将*.ttf文件中的数据按照Intel-HEX格式自动转换为*.hex文件，采用C2Prog软件等多种方式将*.hex烧写入DSP的FLASH中；

所述可执行脚本文件采用Python语言设计，是一个数据转换的可执行脚本文件，用于设置FLASH起始存储地址为0x300000，将两个8位TTF配置数据合并为一个16位数据，前一个数据放在高8位，后一个数据放在低8位，每行最大配置数据长度为32(0x20)个字节，即16字，因此每行的存储地址依次增加0x0010，生成HEX文件。

优选地，其中，DSP中的所述FPGA配置程序的设计方法为：

设备上电时，DSP首先作为FPGA的外部控制器，DSP程序模拟FPGA的PS配置方式的时序，将烧写固化在FLASH存储器中的配置程序数据串行移入FPGA，然后DSP和FPGA再按照各自相应程序执行任务；

FPGA配置时序图和时序参数为FPGA芯片手册中PS配置方式，DSP配置程序流程如下，分为两个阶段：复位阶段和配置阶段：

(1)复位阶段

DSP将nCONFIG置为低电平复位FPGA，FPGA处于复位阶段时nSTATUS引脚为低电平；DSP将nCONFIG从低电平变为高电平时，FPGA就将跳出复位阶段将nSTATUS拉到高电平，若nSTATUS变为高电平，FPGA即进入准备接收配置数据状态；

(2)配置阶段

DSP从FLASH存储器中读取配置数据，FLASH中配置数据存储位置起始地址为0x0300000，最大数据长度0x020000，每个数据长度为16位，每个16位配置数据，DSP先发送高8位数据，再发送低8位数据，DSP用GPIO引脚产生DCLK时钟信号，每个DCLK上升沿到来时,通过DATA引脚发送1位数据，如此将串行数据逐位送给FPGA，FPGA配置完成时将CONFIG_DONE从低电变为高电平，DSP检查到CONFIG_DONE从低电平到高电平的跳变，意味着配置的结束，DSP和FPGA开始执行各自的任务程序。

优选地，第二步中，还采用TI公司提供的程序固化软件C2Prog，基于串口、CAN、JTAG、USB这些方式将*.hex文件烧写入28系列芯片的FLASH，实现DSP用户程序升级固化。

优选地，第二步中，还通过DSP芯片的Boot引导程序，采用以太网、1553B总线等方式将*.hex文件烧写入DSP的FLASH中，实现用户程序升级固化。

优选地，第二步中，用户可根据DSP和FPGA程序大小，自行调整FLASH存储区分配。

优选地，所述行起始符为“:”。

优选地，所述数据字节数为8位，最大值32即0x20、所述FLASH装载起始地址为16位。

优选地，所述记录类型为8位，类型分三种：00数据，01文件结束，04扩展地址。

优选地，所述每行HEX数据中的数据最多32字节、校验和为8位。

(三)有益效果

本发明采用DSP来配置FPGA芯片，省去了FPGA专用配置芯片，将FPGA配置程序文件数据转换后烧写入DSP芯片的FLASH中，降低硬件成本。设备上电时，DSP程序模拟FPGA配置时序，将配置程序从自身FLASH存储器传入FPGA中，实现FPGA配置。DSP的FLASH程序容易通过串口、CAN、以太网等方式实现升级，便于FPGA程序更新，该方法不需要拆卸硬件设备连接仿真器，有效提高了软件升级的效率。

附图说明

图1是本发明中设计的DSP与FPGA的硬件连接电路图；

图2是HEX文件格式图示；

图3是C2Prog软件界面图示；

图4是QuartusII自动生成的TTF文件；

图5是本发明中脚本生成的HEX文件；

图6是CycloneIII器件的PS配置时序图；

图7是CycloneIII器件的PS配置时序参数例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明采用DSP来配置FPGA芯片，以Altera公司的FPGA芯片EP3C10E144和TI公司的DSP芯片TMS320F28335为例，设计电路原理图，省去FPGA专用配置芯片，设计了一个可执行脚本文件，将FPGA配置程序TTF文件自动转换为HEX文件，再将FPGA配置程序HEX文件烧写入DSP芯片的FLASH中。设备上电时，FPGA工作在PS模式下，DSP作为外部控制器，编程模拟PS配置方法的配置时序，将配置程序从自身FLASH存储器传入FPGA中，实现FPGA配置，然后DSP和FPGA再按照各自程序执行任务。

具体而言，本发明的基于DSP芯片的FPGA配置方法的实现过程如下：

第一步，进行硬件电路设计

本实施例中，FPGA以Altera公司的Cyclone III系列芯片EP3C10E144为例，将FPGA配置为PS方式，即MESEL0、MESEL1、MESEL2引脚接地；DSP以TI公司的28系列芯片TMS320F28335为例，将DSP的5个普通GPIO引脚与FPGA相连，连接图如图1所示。

第二步，进行DSP的FLASH存储区分配

DSP28335的FLASH存储区分为8个Sector：A、B、C、D、E、F、G、H，每个FLASH区大小为32K字，共计256K字。本发明将DSP的FLASH内部存储空间分为两部分，分别用来放DSP程序、FPGA配置程序，二者共用一个FLASH。DSP程序存放在A、B、C、D四个区，DSP上电后程序自动跳转到该区域，执行DSP程序。FPGA配置程序放在E、F、G、H四个区，起始地址为0x300000。用户也可根据DSP和FPGA程序大小，自行调整FLASH存储区分配。

目前使用最广泛的FLASH烧写文件为*.hex文件(Intel-HEX格式)，Intel-HEX文件记录了DSP芯片FLASH数据的存储位置，HEX格式如附图2所示，文件由多行数据组成，每行HEX数据包括6个部分：行起始符(:)，数据字节数(8位，最大值32即0x20)、FLASH装载起始地址(16位)、记录类型(8位，类型分三种：00数据，01文件结束，04扩展地址)、数据(最多32字节)、校验和(8位)。

TI公司提供了一个程序固化软件C2Prog(见附图3)，可使用串口、CAN、JTAG、USB等方式将*.hex文件烧写入28系列芯片的FLASH，实现DSP用户程序升级固化；用户可自行设计DSP芯片的Boot引导程序，采用以太网、1553B总线等方式将*.hex文件烧写入DSP的FLASH中，实现用户程序升级固化。

第三步，进行FPGA配置文件格式转换及烧写FLASH

FPGA开发环境QuartusII开发平台对不同器件有不同的配置文件，配置文件大小和数据格式也不同，JTAG模式对应sof配置文件，AS模式对应pof配置文件。*.sof或*.pof文件不能直接烧写入DSP的FLASH，用于配置FPGA，因此需要进行数据转换。

QuartusII可通过设置可自动产生*.ttf文件(见图4)，该文件以8位十进制ascii码数据格式保存FPGA配置程序。

DSP配置FPGA本质就是将*.ttf文件内容按照一定时序发送到FPGA。FPGA配置程序烧写入FLASH有两种方法：

1)用记事本方法打开*.ttf文件，将*.ttf文件中的数据复制到DSP程序中，作为DSP程序的中一个常量数组(const)，和DSP程序一同编译、链接后，生成*.out或*.hex文件；当DSP程序烧写入FLASH内时，FPGA配置程序同时也存储入FLASH中。

2)设计一个可执行脚本文件，将*.ttf文件中的数据按照Intel-HEX格式自动转换为*.hex文件，采用C2Prog软件等多种方式将*.hex烧写入DSP的FLASH中。

第一种方法无需进行数据格式转换，无需编写可执行脚本文件，但每次FPGA程序更改，连同DSP程序需要一起更改，不灵活；第二种方法较为灵活，可单独烧写FPGA程序，本发明采用Python语言设计一个数据转换的可执行脚本文件，设置FLASH起始存储地址为0x300000，将两个8位TTF配置数据合并为一个16位数据，前一个数据放在高8位，后一个数据放在低8位，每行最大配置数据长度为32(0x20)个字节，即16字，因此每行的存储地址依次增加0x0010，生成后的HEX文件如图5所示。

其中，DSP中的FPGA配置程序设计方法为：

设备上电时，DSP首先作为FPGA的外部控制器，DSP程序模拟FPGA的PS配置方式的时序，将烧写固化在FLASH存储器中的配置程序数据串行移入FPGA，然后DSP和FPGA再按照各自相应程序执行任务。

FPGA配置时序图和时序参数参见FPGA芯片手册中PS配置方式，见附图6和附图7。DSP配置程序流程如下，分为两个阶段：复位阶段和配置阶段。

(1)复位阶段

DSP将nCONFIG置为低电平复位FPGA，FPGA处于复位阶段时nSTATUS引脚为低电平；DSP将nCONFIG从低电平变为高电平时，FPGA就将跳出复位阶段将nSTATUS拉到高电平，若nSTATUS变为高电平，FPGA即进入准备接收配置数据状态。

(2)配置阶段

DSP从FLASH存储器中读取配置数据，FLASH中配置数据存储位置起始地址为0x0300000，最大数据长度0x020000，每个数据长度为16位。每个16位配置数据，DSP先发送高8位数据，再发送低8位数据，DSP用GPIO引脚产生DCLK时钟信号，每个DCLK上升沿到来时,通过DATA引脚发送1位数据，如此将串行数据逐位送给FPGA。FPGA配置完成时将CONFIG_DONE从低电变为高电平，DSP检查到CONFIG_DONE从低电平到高电平的跳变，意味着配置的结束，DSP和FPGA开始执行各自的任务程序。

可以看出，本发明采用DSP配置FPGA，可以实现：1)省去了FPGA专用配置芯片，降低硬件成本，并能减小主板面积；2)DSP中FLASH程序容易通过串口、CAN、以太网等方式实现升级、固化，同时也可实现FPGA程序的更新，该方法不需要拆卸硬件设备连接仿真器，有效提高了软件更新的效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于DSP芯片的FPGA配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，进行硬件电路设计

第二步，进行DSP的FLASH存储区分配

第三步，进行FPGA配置文件格式转换及FLASH烧写

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，将FPGA配置程序烧写入FLASH采用的方法替换为如下方法：

设计一个可执行脚本文件，将*.ttf文件中的数据按照Intel-HEX格式自动转换为*.hex文件，采用C2Prog软件将*.hex烧写入DSP的FLASH中；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，DSP中的所述FPGA配置程序的设计方法为：

(1)复位阶段

(2)配置阶段

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，还采用TI公司提供的程序固化软件C2Prog，基于串口、CAN、JTAG、USB这些方式将*.hex文件烧写入28系列芯片的FLASH，实现DSP用户程序升级固化。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步中，用户可根据DSP和FPGA程序大小，自行调整FLASH存储区分配。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行起始符为“:”。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据字节数为8位，最大值32即0x20、所述FLASH装载起始地址为16位。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述记录类型为8位，类型分三种：00数据，01文件结束，04扩展地址。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述每行HEX数据中的数据最多32字节、校验和为8位。