【SoC FPGA學(xué)習(xí)】十一、基于 Linux 應(yīng)用程序的 HPS 在線配置 FPGA

在眾多的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中， 有一類(lèi)應(yīng)用可能需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)的更改 FPGA 內(nèi)部的邏輯設(shè)計(jì)， 以適配不同的工作環(huán)境。 例如在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，連接不同型號(hào)的模擬數(shù)據(jù)采集卡， 其所需要的 FPGA 接口邏輯以及內(nèi)部的數(shù)據(jù)變換處理邏輯都有可能不同。不同性能的 ADC 芯片其所能工作的采樣率不一樣， 即所需的接口時(shí)鐘頻率不一樣，而在 FPGA 中針對(duì)高速時(shí)鐘信號(hào)希望動(dòng)態(tài)修改頻率，傳統(tǒng)的方案只能使用多路時(shí)鐘切換電路， 或者使用PLL 動(dòng)態(tài)重配置方案。 而基于 SoC FPGA 的在系統(tǒng)重配置 FPGA 解決方案，可以通過(guò)識(shí)別不同的 ADC 型號(hào)， 選擇對(duì)應(yīng)的 FPGA 驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用邏輯的配置數(shù)據(jù)配置到 FPGA 中， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同硬件的匹配。

而另外一個(gè)更加能夠體現(xiàn)出這種在系統(tǒng)重配置方案的優(yōu)勢(shì)情景是，如果不同的硬件，其與 FPGA 連接時(shí)同一功能屬性的引腳可能分布在不同的位置，例如對(duì)于 AC501-SoC 開(kāi)發(fā)板上的通用顯示擴(kuò)展接口，其能夠連接 8080 接口的 LCD 液晶屏，也能連接 RGB 接口的TFT 顯示屏， 還能夠連接 VGA 輸出模塊，實(shí)現(xiàn) VGA 視頻的輸出， 而這三種外設(shè)的功能引腳定義都有差異， 直接連接到開(kāi)發(fā)板上很難通過(guò)同一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)兼容，此時(shí)， 如果希望系統(tǒng)能夠根據(jù)連接的是 LCD、 RGB-TFT 或者 VGA 來(lái)適配相應(yīng)的邏輯驅(qū)動(dòng)和 IO 映射，就可以使用基于 Linux 應(yīng)用程序的HPS 在系統(tǒng)重配置 FPGA 方案。首先 FPGA 中可能會(huì)配置進(jìn)一個(gè)基本的邏輯系統(tǒng)，以支持 Linux 系統(tǒng)通過(guò)讀取某些特定 IO 的高低電平來(lái)識(shí)別連接的是 LCD液晶屏， 或是 RGB-TFT 顯示屏，或是 VGA 輸出電路。 然后 Linux 系統(tǒng)再根據(jù)識(shí)別結(jié)果將支持對(duì)應(yīng)硬件外設(shè)的 FPGA 配置數(shù)據(jù)流配置到 FPGA 中， 這樣FPGA 中就擁有了正確兼容所連接硬件外設(shè)的驅(qū)動(dòng)邏輯， Linux 也能夠正常的對(duì)其實(shí)現(xiàn)操作了。

一、制作 Quartus 工程

為了通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示通過(guò) Linux 系統(tǒng)在線配置 FPGA 的效果，這里使用 AC501_SoC_GHRD 工程進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，得到另一個(gè)工程。 為了避免大家在剛開(kāi)始接觸 SoC FPGA 的時(shí)候因?yàn)椴僮鞑皇炀毝霈F(xiàn)低級(jí)的錯(cuò)誤耽誤時(shí)間， 這里提供一種最簡(jiǎn)單的修改方式， 就是交換兩個(gè) FPGA 側(cè) LED 燈的引腳分配， 例如工程中默認(rèn) fpga_led[1]分配在 PIN_V9， fpga_led[0]分配在 PIN_V10上，就可以將 AC501_SoC_GHRD 工程拷貝并打開(kāi)，將 fpga_led[1]分配在PIN_V10 上，而將 fpga_led[0]分配在 PIN_V9 上， 然后重新編譯得到 sof 文件即可。由于沒(méi)有修改任何的邏輯設(shè)計(jì)和 Qsys 系統(tǒng)內(nèi)容，因此無(wú)需重新生成設(shè)備樹(shù)，也無(wú)需重新更新 uboot。 例如，在本書(shū)配套的工程源碼中，修改后的工程文件夾名為 AC501_SoC_GHRD_ExPin。

filter location和location區(qū)別：仔細(xì)觀察上面的Filter Location一欄，沒(méi)有跟隨Location變化。據(jù)群里網(wǎng)友說(shuō)是：沒(méi)給location分配引腳的時(shí)候，這列的分配置位就生效。

二、生成rbf格式配置數(shù)據(jù)

rbf 文件是 Quartus 編譯生成的 fpga 配置文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量格式的文件，主要用于使用外部主機(jī)通過(guò) PS 方式配置 FPGA。

在含 ARM 硬核的 SoC FPGA 中，可以使用 HPS 在線配置 FPGA，配置時(shí)分為兩種情況，一種是在 HPS 處于 uboot 啟動(dòng)階段時(shí)通過(guò) u-boot 配置（見(jiàn)《【SoC FPGA學(xué)習(xí)】八、從零開(kāi)始體驗(yàn)一把為 HPS 添加外設(shè)，以 UART 外設(shè)為例》的1.9小節(jié)），一種是Linux 啟動(dòng)之后通過(guò)應(yīng)用程序配置。這兩種配置方式都需要用到 rbf 格式的配置文件，但是兩種方式所需的 rbf 格式的配置文件卻又存在著差異，其中 uboot 階段配置 fpga 需要使用未經(jīng)壓縮的 rbf 格式文件，而在 Linux 應(yīng)用程序中配置fpga 時(shí)，需要使用經(jīng)過(guò)壓縮了的 rbf 文件。默認(rèn)情況下， Quartus 軟件不能自動(dòng)生成 rbf 文件，需要在設(shè)置種開(kāi)啟生成 rbf 文件選項(xiàng)。開(kāi)啟方法如下：

雙擊工程，如下圖所示

點(diǎn)擊其中的Device and Pin Options…

勾選在Programming Files下面的Raw Binary File(.rbf)文件

需要注意的是，這種方式生成的 rbf 文件是經(jīng)過(guò)壓縮了（應(yīng)用程序階段）的，可以支持 Linux中使用應(yīng)用程序直接配置 FPGA，不支持 uboot 階段配置 fpga。除了使能 Quartus 軟件在編譯時(shí)自動(dòng)生成 rbf 文件，用戶(hù)也可以在編譯結(jié)束后通過(guò)腳本命令手動(dòng)實(shí)現(xiàn) sof 文件到 rbf 文件的轉(zhuǎn)換。

使用 sof 文件直接轉(zhuǎn)換得到**未經(jīng)壓縮（uboot階段）**的 rbf 文件的命令格式為：

quartus_cpf -c my_input_file.sof my_output_file.rbf

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使用 sof 文件直接轉(zhuǎn)換得到**經(jīng)過(guò)壓縮（應(yīng)用程序階段）**的 rbf 文件的命令格式為：

quartus_cpf -c -o bitstream_compression=on my_input_file.sof my_output_file.rbf

1

其中， my_input_file.sof 是工程編譯得到的 sof 文件， 作為轉(zhuǎn)換輸入文件，my_output_file.rbf 為轉(zhuǎn)換得到的 rbf 文件，可以用來(lái)使用 HPS 配置 FPGA。

使用時(shí)，可以直接在 SoC EDS 軟件中輸入上述命令生成 rbf 文件，也可以將上述命令做成腳本， 然后一鍵運(yùn)行（見(jiàn)《【SoC FPGA學(xué)習(xí)】八、從零開(kāi)始體驗(yàn)一把為 HPS 添加外設(shè)，以 UART 外設(shè)為例》的1.9小節(jié)）。

制作 sof 文件直接轉(zhuǎn)換得到**未經(jīng)壓縮（uboot階段）**的 rbf 文件的腳本：

%QUARTUS_ROOTDIR%\\bin64\\quartus_cpf -c AC501_SoC_GHRD.sof soc_system.rbf pause

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2

將 sof2rbf.bat 文件拷貝到工程中 sof 所在目錄下（GHRD工程的output_files目錄），直接雙擊運(yùn)行該 bat 文件，就能生成名為 soc_system.rbf 的文件了，該文件是未經(jīng)壓縮的rbf 文件。

制作 sof 文件直接轉(zhuǎn)換得到**經(jīng)過(guò)壓縮（應(yīng)用程序階段）**的 rbf 文件的腳本呢：

%QUARTUS_ROOTDIR%\\bin64\\quartus_cpf -c -o bitstream_compression=on AC501_SoC_GHRD.sof soc_system_dc.rbf pause

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2

將 sof2rbf_dc.bat 文件拷貝到工程中 sof 所在目錄下（GHRD工程的output_files目錄），直接雙擊運(yùn)行該 bat 文件，就能生成名為 soc_system_dc.rbf 的文件了，該文件是經(jīng)過(guò)壓縮的rbf 文件。

注意，上述命令內(nèi)容中， AC501_SoC_GHRD.sof 名字需要換成工程中實(shí)際的 sof 文件的名字。

下圖為分別使用 sof2rbf.bat 和 sof2rbf_dc.bat 腳本生成的 rbf 文件，可以看到，兩者尺寸差距較大， soc_system.rbf 為 4146KB，而 soc_system_dc.rbf 僅為 1269KB。

三、編譯 Linux 配置 FPGA 應(yīng)用程序

當(dāng)需要在 Linux 運(yùn)行時(shí)配置 FPGA， 需要有一個(gè) Linux 應(yīng)用程序來(lái)完成此操作。該應(yīng)用程序會(huì)讀取指定的 rbf 文件并通過(guò) HPS 的 FPGA 管理器外設(shè)將數(shù)據(jù)流配置到 FPGA 中。在 AC501-SoC 開(kāi)發(fā)板的配套光盤(pán)資料中\(zhòng)AC501-SoC開(kāi)發(fā)板資料文件夾版\Demos\SOC_FPGA\c_project，提供了一個(gè)名為hps_config_fpga 的 Linux 應(yīng)用工程源碼， 使用時(shí)僅需導(dǎo)入到 DS-5 中，然后就可以進(jìn)行編譯調(diào)試了，如下圖所示。

該程序?qū)嶋H上和之前介紹的基于虛擬地址映射的外設(shè)編程方式一致， 其將HPS 中的 FPGA 管理器外設(shè)也通過(guò)虛擬地址映射的方式得到了每個(gè)寄存器的虛擬地址，然后通過(guò)直接讀寫(xiě)寄存器的方式完成 FPGA 的配置。

四、在系統(tǒng)重配置 FPGA 實(shí)驗(yàn)

要進(jìn)行在系統(tǒng)重新配置 FPGA 的實(shí)驗(yàn)， 首先要獲得希望配置進(jìn)入 FPGA 的rbf 格式的配置數(shù)據(jù)流文件， 在上述介紹中，已經(jīng)介紹了制作一鍵生成 rbf 文件的腳本，因此，這里僅需將帶壓縮屬性的生成腳本分別拷貝入AC501_SoC_GHRD 和 AC501_SoC_GHRD_ExPin 工程的 output_files 目錄下并運(yùn)行，即可得到對(duì)應(yīng)的 rbf 文件，為了以示區(qū)分，將 AC501_SoC_GHRD_ExPin工程生成的 rbf 文件手動(dòng)重命名為 soc_system_expin_dc.rbf， 然后將這兩個(gè) rbf文件均拷貝入 soc 開(kāi)發(fā)板的 SD 卡中。

從 D:\intelFPGA\17.1\embedded\embeddedsw\socfpga\prebuilt_images 路徑中拷貝“socfpga_cyclone5.dtb”到 SD 卡中并改名為 socfpga.dtb（原有的socfpga.dtb文件改為socfpga.dtb.bak）

socfpga_cyclone5.dtb 文件是所有 Cyclone V SoC FPGA 通用的 DTB 文件，它們不依賴(lài)于 FPGA 中的軟 IP。 Linux 在使用這種 DTB 文件加載設(shè)備時(shí)不需要FPGA 配置和橋接的復(fù)位釋放。這種 DTB 文件主要用于一塊新設(shè)計(jì)的 SoC 板卡啟動(dòng)或是僅僅用于簡(jiǎn)化 SoC 的引導(dǎo)來(lái)啟動(dòng) Linux。 如果當(dāng)前的開(kāi)發(fā)和調(diào)試與FPGA 部分無(wú)關(guān)，就可以使用該 DTB 加載 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)以去掉 FPGA 設(shè)計(jì)帶來(lái)的復(fù)雜部分。

在 Linux 下使用 HPS 在系統(tǒng)配置 FPGA 時(shí)， 使用此種方式，可以避開(kāi)Linux 加載 FPGA 部分而帶來(lái)各種可能的影響， 首先保證 Linux 系統(tǒng)順利啟動(dòng)，然后再由 HPS 配置 FPGA。將 DS-5 中 hps_config_fpga 工程編譯得到的可執(zhí)行文件“hps_config_fpga”拷貝到SD卡中

將《LED和按鍵聯(lián)動(dòng)》的實(shí)驗(yàn)代碼，編譯得到的可執(zhí)行文件，拷貝到SD卡中， 該程序用于完成 FPGA 配置后測(cè)試 FPGA 部分邏輯外設(shè)功能。

soc_system_dc.rbf - 沒(méi)有進(jìn)行引腳交換的GHRD工程，編譯后得到的經(jīng)過(guò)壓縮rbf文件。

soc_system_dc_ExPin.rbf - 進(jìn)行引腳交換的GHRD工程，編譯后得到的經(jīng)過(guò)壓縮rbf文件。

拷貝完所有文件的 SD 卡根目錄中的文件列表如下圖所示。

設(shè)置 AC501-SoC 開(kāi)發(fā)板的 MSEL 撥碼開(kāi)關(guān)值為 4’b01110 或 4’b01010， 如下圖

然后使用拷貝好文件的 SD 卡啟動(dòng) AC501-SoC 開(kāi)發(fā)板，啟動(dòng)完成后，由于上述執(zhí)行重配置相關(guān)的文件都是存放在 SD 卡的 FAT 分區(qū)中的，需要先掛載到 Linux 系統(tǒng)下。使用下述命令完成 FAT 分區(qū)在 Linux 系統(tǒng)中的掛載。

mount –t vfat /dev/mmcblk0p1 /mnt

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然后使用 cd 命令切換到 mnt 路徑下

cd /mnt

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輸入 ls 命令就能看到該目錄下存在的所有文件了。 新拷貝進(jìn)來(lái)的文件可能沒(méi)有可執(zhí)行權(quán)限，使用chmod 777 *命令可以一次性為所有文件增加可執(zhí)行權(quán)限。添加好可執(zhí)行權(quán)限后， 首先使用未做修改的 AC501_SoC_GHRD 工程的配置數(shù)據(jù) soc_system_dc.rbf 配置 FPGA，輸入以下命令即可。

./hps_config_fpga soc_system_dc.rbf

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程序完成 FPGA 配置之后，可以看到 AC501-SoC 開(kāi)發(fā)板上的兩個(gè) LED 燈被點(diǎn)亮了， 同時(shí)串口終端上打印以下內(nèi)容：

可以看到，串口終端提示 FPGA 已經(jīng)被成功配置。 此時(shí)輸入./led執(zhí)行編譯好的按鍵控制 LED 程序，然后按下開(kāi)發(fā)板上的 S7 鍵， 可以看到 LED 燈D8 隨著 S7 的每次按下發(fā)生亮滅狀態(tài)的切換，按下開(kāi)發(fā)板上的 S8 鍵， 可以看到LED 燈 D9 隨著 S8 的每次按下發(fā)生亮滅狀態(tài)的切換。

按下 ctrl+c 組合鍵結(jié)束 pio 程序的運(yùn)行。然后使用交換了 LED0 和LED1管腳的AC501_SoC_GHRD_ExPin工程的配置數(shù)據(jù)soc_system_expin_dc.rbf配置 FPGA，輸入以下命令即可。

./hps_config_fpga soc_system_dc_Expin.rbf

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程序完成 FPGA 配置之后，可以看到串口終端上再次提示 FPGA 配置成功的信息。 此時(shí)， 再次執(zhí)行編譯好的按鍵控制 LED 程序“pio”，然后按下開(kāi)發(fā)板上的 S7 鍵， 可以看到 LED 燈 D9 隨著 S7 的每次按下發(fā)生亮滅狀態(tài)的切換，按下開(kāi)發(fā)板上的 S8 鍵， 可以看到 LED 燈 D9 隨著 S8 的每次按下發(fā)生亮滅狀態(tài)的切換。即驗(yàn)證了 FPGA 中確實(shí)被配置進(jìn)入了另一個(gè) FPGA 配置數(shù)據(jù)。

FPGA Linux

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