基于SPI FLASH的FPGA多重配置

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基于SPI FLASH的FPGA多重配置

       现代硬件设计规模逐渐增大，单个程序功能越来越复杂，当把多个功能复杂的程序集成到一个FPGA上实现时，由于各个程序的数据通路及所占用的资源可能冲突，使得FPGA控制模块的结构臃肿，影响了整个系统工作效率。

+ p, }" }- C( h' D: j       通过FPGA的多重配置可以有效地精简控制结构的设计，同时可以用逻辑资源较少的FPGA器件实现需要很大资源才能实现的程序。以Virtex5系列开发板和配置存储器SPI FLASH为基础，从硬件电路和软件设计两个方面对多重配置进行分析，给出了多重配置实现的具体步骤，对实现复杂硬件设计工程有一定的参考价值。
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       0引言
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. d8 `- I( Z9 U5 R       现代硬件程序设计规模越来越大，功能越来越复杂，当多个应用程序同时在一个硬件平台上实现时，各个程序的资源使用和数据通路可能会冲突，这增加了控制电路设计的复杂程度，给开发人员增加了工作量和开发难度。通过多重配置，可以将多个应用程序根据需要分时加载到FPGA中，不仅精简了电路设计，而且使系统更加灵活。FPGA多重配置的特点可以让特定条件下的用户选择片上资源不多的FPGA去实现需要很多资源FPGA才能实现的功能，这大大降低了开发费用，同时提高了FPGA的利用率。

/ V$ V, f9 X# r/ d# c, R! l5 T       Xilinx公司Virtex5系列的FPGA具有多重配置的特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，可以从FLASH中贮存的多个比特文件选择加载其中的一个，实现系统功能的变换。

       1总体设计

       当FPGA完成上电自动加载初始化的比特流后，可以通过触发FPGA内部的多重启动事件使得FPGA从外部配置存储器（SPI FLASH）指定的地址自动下载一个新的比特流来重新配置。FPGA的多重配置可以通过多种方式来实现。本文采用的是基于ICAP核的状态机编码方式。通过调用Xilinx自带的ICAP核，编写状态机按照一定的指令流程对ICAP核进行不断的配置，可以控制FPGA重新配置。这种方式可以在源代码中加很多注释，让后来的开发者很清楚地明白ICAP核指令流顺序，以及多重配置地址计算方法，是一种简单实用的实现方法。
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7 a% R7 i: d. b# O       1.1硬件电路
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       多重配置的硬件主要包括FPGA板卡和贮存配置文件的FLASH芯片。FPGA选用XILINX公司Virtex-5系列中的ML507，该产品针对FPGA多重配置增加了专用的内部加载逻辑。FLASH芯片选用XILINX公司的SPI FLASH芯片M25P32，该芯片存贮空间为32 Mb，存贮文件的数量与文件大小以及所使用的FPGA芯片有关。实现多重配置首先要将FPGA和外部配置存储器连接为从SPI FLASH加载配置文件的模式。配置电路硬件连接框图如图1所示。

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