一种基于VC++程序的FPGA重配置方案设计

　　0 引言

　　随着大规模集成电路的快速发展，系统设计已从传统的追求大规模、高密度逐渐转向提高资源利用率，使有限的资源可以实现更大规模的逻辑设计。利用现场可编程逻辑器件FPGA的多次可编程配置特点，通过重新下载存储于存储器的不同系统数据，从而实现不同的芯片逻辑功能，可以在很大程度上提高资源利用率。原始配置FPGA的方法是硬件设计者根据需求设计生成配置数据流，然后通过专用配置芯片对FPGA进行配置，例如通过下载电缆将配置数据流存储到FPGA配置存储芯片中，该方法的整个过程需要芯片厂商的专用软件参与。因此，该配置方法对依赖下载电缆，适合于产品研制过程中下载配置操作，且有一定的局限性，不适用对产品应用中的系统升级或系统重构。

　　结合对FPGA重配置方案的软硬件设计，本文通过PC机并通过总线(如PCI总线)将配置数据流下载到硬件功能模块的有关配置芯片，从而完成配置FPGA的全过程。该方法的软件部分基于Visual C++的开发环境，并用C++语言开发动态连接库，以用于软件设计应用程序部分的调用。文中详述了上层用户对配置文件的处理、调用动态连接库中的发送函数、将配置数据流发送给硬件的软件设计过程，并通过建立用户与硬件的握手联系，来提高配置数据的传输率。

　　1 FPGA的可重配置硬件方案

　　本文给出的设计方案将FPGA的配置程序文件看作一个“对象”，逻辑设计者先将所要完成的工作程序生成这样的一个“对象”，然后由上位机通过某种通讯接口模块及逻辑控制模块，将其下传到FPGA的配置芯片中来完成FPGA器件的重新配置，即通过对FPGA逻辑的重配置来完成系统的重构或升级。逻辑设计者最终通过上位机用户界面的简单操作，即可完成硬件功能模块的工作方式重构，其可重配置的系统硬件结构框图如图1所示。

　　图1中借用原系统DSP处理器的控制功能来完成上位机控制命令及下载数据的接收，上位机与系统之间采用PCI总线接口。上位机命令由DSP处理器进行解析，并随后发送到配置芯片控制器中，配置芯片控制器可由CPLD器件构成，它的编程采用EEPROM或FLASH技术，且无需外部存储器芯片。

　　在设计中，上位机通过PCI总线建立通信并发送配置命令及数据至DSP，DSP以串行方式通知配置芯片控制器发送控制命令以及要进行配置的数据包，同时，配置芯片控制器在解析命令后，还应执行相应的操作，并完成FPGA配置芯片所需的下载时序及配置数据。配置芯片的数据下载过程称为编程操作，编程完成后，再启动配置操作，即可进行FPGA从配置芯片读取新的系统配置程序过程。与常用的FPGA配置方法相比较，本文所采用的FPGA可重构设计的硬件结构更加简单，用户操作也更加方便，而且在对FPGA的配置芯片写入配置程序数据的时候，并不会影响到FPGA的继续工作，系统重构的时隙也更小。