XilinxのFPGAをSerialSlaveModeで書き込み(コンフィギュレーション)する。

FPGAのコンフィグあれこれ
を参考にした。

高価な書き込み装置が無くても、この辺りの仕組みを理解してしまえば、
自作の書き込み装置でFPGAに書き込みできるようになる。

重要なのは、自分で理解して、好き勝手にできる事だろう。

ここで問題になるのが、ISEの吐き出すFPGAに書き込むファイル、
つまり、「XXXX.bit」ファイル、あるいはBitstreamファイルの構造が良く分からない事だ。



これについて、ネットで資料を探すと、

http://www.fpga-faq.com/FAQ_Pages/0026_Tell_me_about_bit_files.htm
H8(PIC,AVR)などから SpartanII をコンフィグする手順
CMorford_Thesis.pdf
xapp452.pdf

この辺りを参考にすれば、それほど難しくない事が分かる。

むしろ問題なのは、PC ⇔ マイコン の通信かもしれない。が、それは、また今度。
EZ-USBFX2などは多少面倒だが、RS232Cで良ければ、シリアル通信(RS232C)関連
辺りが参考になるかもしれない。

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[Begin_Bitstream]は、必ず「FF FF FF FF AA 99 55 66」で始まる。
実は、BitStreamファイルを一々解析しなくても、FPGA側では、
「FF FF FF FF AA 99 55 66」を合図として、
コンフィグ用のデータの開始位置と判断するので、
良く分からなくても、取りあえずシリアルで、
全てのデータを流してやればなんとなくコンフィギュレーションは上手く行ってしまう。



しかし、なんとなくでは納得が行かなかったので、一応BitStreamファイルを解析してみる。
「.bit」ファイルの構造は上記のURLの通りなので、あとは実際のファイルを解析するコードを書けばいい。
すると、大体以下のようになる。
(全体のコードの一部を抜粋しているので、多少の違和感は勘弁していただきたい。)

プログラムを書くとき、char型について、「signed char」か「unsigned char」かで、
動作が変わってくるので、そのあたりに注意して欲しい。

BitStream_HeaderReader関数。
実際にファイルを解析する部分。
//.bitファイルのヘッダを読む関数 int BitStream_HeaderReader(char Token,char* Buffer_Bit_file,char** StartPointOfBuffer){ //char Token :データの識別コード。欲しいデータの識別コードを選択し渡す。 //char* Buffer_Bit_file :Bitファイルのバッファの先頭アドレスを渡す //char** StartPointOfBuffer :Tokenで指定した内容のアドレスを返す。//ダブルポインタなので扱いに注意。 // //return 0; :成功 成功した場合は「free(StartPointOfBuffer);」で解放が必要。 //return -1; :失敗 //[Token]一覧 //'a'(0x61) :Design Name String //'b'(0x62) :Part Name String //'c'(0x63) :Date String //'d'(0x64) :Time String //'e'(0x65) :Begin Bitstream //ビットストリームの開始場所 int i=9+2+2;//始めのデータは良く分からないのでTokenまで飛ばす。 for(int count=0;count<=5;count++){ int Data_length=0; Data_length = ((0x0000FF00)&Buffer_Bit_file[i+1]<<8) //unsignedではなく、signedである事を考慮し、ビット演算によって結合させる。 | ((0x000000FF)&Buffer_Bit_file[i+2] ); //データ長の記述してある部分を取得 if( Buffer_Bit_file[i] == Token ) { switch( Token ) { case 'a': case 'b': case 'c': case 'd': *StartPointOfBuffer = (char*)malloc((Data_length)*sizeof(char)); //終了コード('\0'(000))は「.bit」ファイルの文字列に含まれているので、考慮する必要は無い。 memcpy(*StartPointOfBuffer,&Buffer_Bit_file[i+3],Data_length); return 0; case 'e': //'e'の場合だけデータ長が4Byteなので別に考える。 Data_length = ((0xFF000000)&(Buffer_Bit_file[i+1]<<24)) //unsignedではなく、signedである事を考慮し、ビット演算によって結合させる。 | ((0x00FF0000)&(Buffer_Bit_file[i+2]<<16)) | ((0x0000FF00)&(Buffer_Bit_file[i+3]<< 8)) | ((0x000000FF)& Buffer_Bit_file[i+4] ); //データ長の記述してある部分を取得 *StartPointOfBuffer = (char*)malloc(Data_length*sizeof(char)); //終了コード('\0'(0x00))は「.bit」ファイルの文字列に含まれているので、考慮する必要は無い。 memcpy(*StartPointOfBuffer,&Buffer_Bit_file[i+5],Data_length); return 0; } } i += Data_length + 3; //次のTokenまで移動する。 } return -1; }

上記の
BitStream_HeaderReader関数の使い方。

Tokenがa,b,c,dの場合、関数から受け取るデータはただの文字列なので、
printfでdos窓に表示させる。
eの場合は、関数から帰って来たデータを、
今回はこの後EZ-USBに送信してFPGAに書き込むことになるのだが、
それはまた別の話。EZ-USB ⇔ PC間でのデータのやり取りは、
オプティマイズのサイトが参考にしてコードを書いた。

FirmwareOfFPGAの部分には
"C:\\Xilinx_ISE\\Project\\test_led.bit"
のような感じで、bitstreamファイルのディレクトリを指定する。
//ローカルディスクから「.bit」ファイルを読み込む。 FILE *file_FPGA; fopen_s(&file_FPGA, FirmwareOfFPGA, "rb"); //読み込み専用のバイナリモードで開く if(file_FPGA==NULL){printf("fopen_s(); was faild.\n");system("pause");return -1;}//ファイルの存在確認 //ファイルサイズの取得 fseek(file_FPGA,0,SEEK_END); //ファイルポインタをファイルの最後に移動させる。//バイナリモードでは、fseek()関数で「SEEK_END」するのは、バイナリデータが終端文字を含む可能性があるため、動作不定とされているが、実際に開いているのはただのテキストであるため、終端文字は存在しえない。そのため、問題ない。 int file_FPGA_size=ftell(file_FPGA); //ファイルサイズを取得する。(どちらでもOK) // fgetpos(fp_cl,fsize); //ファイルサイズを取得する。(どちらでもOK) //fgetpos()関数を使えば、2GBを超えるファイルでも扱える……らしい。 fseek(file_FPGA,0L,SEEK_SET); //ファイルポインタを先頭に戻す。 //ファイルサイズ分の領域を確保 char *Buf_FPGA_Firmware = (char *)malloc(file_FPGA_size*sizeof(char)); //ファイルの読み込み fread(Buf_FPGA_Firmware,1,file_FPGA_size,file_FPGA); fclose(file_FPGA); printf("Infomation of .bit file\n"); char* DesignNameString=NULL; if(BitStream_HeaderReader('a',Buf_FPGA_Firmware,&DesignNameString)==-1){printf("BitStream_HeaderReader(); was faild.\n");system("pause");return -1;} printf("DesignNameString : %s\n",DesignNameString); free(DesignNameString); //BitStream_HeaderReader()関数で動的確保しているので、関数が成功した場合は解放する必要がある。 char* Part_Name_String=NULL; if(BitStream_HeaderReader('b',Buf_FPGA_Firmware,&Part_Name_String)==-1){printf("BitStream_HeaderReader(); was faild.\n");system("pause");return -1;} printf("Part_Name_String : %s\n",Part_Name_String); free(Part_Name_String); //BitStream_HeaderReader()関数で動的確保しているので、関数が成功した場合は解放する必要がある。 char* Date_String=NULL; if(BitStream_HeaderReader('c',Buf_FPGA_Firmware,&Date_String)==-1){printf("BitStream_HeaderReader(); was faild.\n");system("pause");return -1;} printf(" Date_String : %s\n",Date_String); free(Date_String); //BitStream_HeaderReader()関数で動的確保しているので、関数が成功した場合は解放する必要がある。 char* Time_String=NULL; if(BitStream_HeaderReader('d',Buf_FPGA_Firmware,&Time_String)==-1){printf("BitStream_HeaderReader(); was faild.\n");system("pause");return -1;} printf(" Time_String : %s\n",Time_String); free(Time_String); //BitStream_HeaderReader()関数で動的確保しているので、関数が成功した場合は解放する必要がある。 char* Begin_Bitstream=NULL; if(BitStream_HeaderReader('e',Buf_FPGA_Firmware,&Begin_Bitstream)==-1){printf("BitStream_HeaderReader(); was faild.\n");system("pause");return -1;} //printf("%s\n",Begin_Bitstream); //文字データではなく、ただのコンフィギュレーション用のデータなので、表示できる訳がない。 //free(Begin_Bitstream); //BitStream_HeaderReader()関数で動的確保しているので、関数が成功した場合は解放する必要がある。 //以下のConfigurationでデータを使用するので、使い終わってから解放する。 //切り出した[Begin_Bitstream]は、必ず「FF FF FF FF AA 99 55 66」で始まる。これを目印として、EZ_USB_FX2LPに書き込み開始の合図とする。(FFの数だけ、本当に固定なのか心配。) //これは各送信データのブロックの先頭が「FF FF FF FF AA 99 55 66」である場合、FPGAに対して書き込み開始の合図(PROG)を送る。 //■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ //■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■XilinxのFPGAの[.bit]ファイル(bitstream file)を読み込む。ここまで free(Buf_FPGA_Firmware);//上記でコピーしたので解放する。


結局、
BitStream_HeaderReader関数
でeを指定した場合にFPGAへの書き込みデータ、
の開始位置からのデータが取得できる。

ここでは、
Begin_Bitstream
にデータがバッファされる事になるので、
これを(私の場合はEZ-USBに送信して、)FPGAに書き込めばいい。

ここで注意する必要があるのは、
MSBfirstで書き込むのか、LSBfirstで書き込むのかという問題だ。
FPGAはどちらの仕様になっているのか？

結論を言えば……(あとで調べてどっちか書いておく。)


EZ-USB側のコード、と言うべきか……マイコン側のコードについては、
難しく考える必要は無く、単に受信したデータをif文だがfor文だかでIOポートから出力させればokです。
クロックと信号の位置が多少ずれても、FPGA側ではそこそこ高速な受信スピードで動作でする(何処かに資料があったはずなのだが……)ので、普通に受信できます。
(もちろん合ってるに越した事は無いし、程度問題はあるでしょうけれど。)
例えばSHマイコンとかならコンペアマッチタイマを使ってpwmを……など、
そこまでする必要性は全くありません。
余程高速に動作させなければいけない理由でも無ければ、無駄な努力です。


ハード的なメモ
http://the-united-front.blogspot.jp/2014/09/httpwww.html