一种远程配置FPGA的方法

刘佳

摘要：使用JTAG方式配置FPGA，在某些特殊环境下，因缺乏灵活性，不易操作，对设备使用产生制约。本文提出一种远程配置FPGA的方法，该方法利用PC机，通过以太网接口向Zynq传输配置文件，Zynq按照FPGA相应的配置时序，完成远程配置工作。

关键词：FPGA；远程配置；Zynq；AXI

中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0120-01

1 引言

近年来，FPGA技术广泛应用于通信、信息、信号处理等领域。传统的JTAG方式配置FPGA，强依赖于本地开发环境。当FPGA设备处于特殊环境时，远程配置功能就非常重要了。Zynq是Xilinx公司近两年力推的全可编程SOC，它将双核 ARM Cortex A9处理器系统（Processing System，PS）和可编程逻辑（Programmable Logic，PL）結合到单芯片内，并推出了PS与PL间的高速AXI总线。本文利用PC和Zynq完成对FPGA的远程配置工作，充分发挥以太网、AXI等高速接口的特性，实现高效的远程配置。

2 方案原理

远程配置，通常是指配置文件在一台PC上，待配置设备位于远端，二者可通过互联网连接。PC的作用是将配置文件通过以太网传输给设备。在设备中，包含一个Zynq SOC。该单元主要负责接收PC传来的配置文件，并完成对FPGA的具体配置工作。

在Zynq中，包括PS和PL两个模块，还含有大量的控制器资源，如USB控制器、DDR控制器，千兆以太网控制器等。AXI是Zynq中引入的新概念，它是Advanced eXtensible Interface的简称，可实现PS与PL间高速的数据交互。Zynq中AXI接口共有9个，分为3类：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卡等存储器上。然后PS通过AXI接口将配置数据传递给PL。PL一边接收数据，一边实现FPGA的相应配置时序，最终完成配置工作。

3 具体实现

以Altera Stratix IV为例说明，Zynq SOC采用Zynq-7000系列的XC7Z030，普通PC机一台。硬件框图如图1所示。

具体配置流程：

（1）PC与Zynq SOC建立TCP/IP连接，Zynq为Server，PC为Client。PC通过千兆网口将配置文件发送给Zynq，Zynq收到文件后，存到SD卡备用。

（2）Zynq中PS与PL建立AXI通道接口，PS做Master，PL做Slave。PS从SD卡读取配置文件数据，通过AXI接口，发送给PL。因配置文件通常为10几兆，因此传输时分片传输，每次可传K级别数据。

（3）PL一边接收数据，一边实现Stratix IV的配置时序，边收数据，边配置。

（4）PS每传一片数据，都要等待PL配置完成，并且检验纠错，正确时才可传送下一个数据包。

（5）重复（3）（4）步骤，至全部配置数据，传输配置完成。

（6）Zynq SOC将配置结果（成功或失败），通过以太网上报给PC。至此，完成远程配置。

流程图如图2所示。

需要注意，当PC向Zynq传送配置文件时，需要先将文件的标志信息（文件名、长度）传过去，Zynq会在本地新建同名文件。然后PC再把将文件的数据信息传过去，Zynq会自动存储到刚刚新建的文件中，以此实现配置文件的同步传送。

进行AXI数据通信时，本文选用AXI GP接口，该接口比AXI HP、AXI ACP实现简单。可选择数据位宽32bit或64bit，经典的寄存器思想，选择32bit宽时，每个AXI GP设备最多拥有512个寄存器资源，这也限制了传送配置文件数据时，最大包的最大Size。因AXI GP接口带宽高，即使分包传输，性能上依旧很好。

4 结语

借助Xilinx的Zynq SOC平台，将PS和PL的设计资源合理利用，充分发挥以太网和AXI等高速接口的性能，高效的完成FPGA的远程配置工作。本方法已在项目中得到实际运用。该方法实现巧妙，兼容性强，为硬件程序更新带来了便利。

参考文献

[1]陆佳华，江舟，马岷.嵌入式系统软硬件协同设计实战指南基于Xilinx Zynq[J].2013.

[2]何宾. Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC设计指南[M].清华大学出版社，2013.

[3]陶杰.FPGA局部动态可重配置的研究[J].电子科技，2009.4