如何通过PCIE协议实现FPGA 配置？

1.  CvP 简介

CvP（Configuration via Protocol）是一种通过协议实现 FPGA 配置的方案，Arria® V，Cyclone® V，Stratix® V，Arria® 10，Cyclone® 10 GX，Stratix® 10，Agilex™都支持这个功能，但支持的模式有所差异。目前所采用的协议是 PCI Express® (PCIe)。

CvP 配置文件被拆分成两个，一个是 periphery image，一个是 core image。

•Periphery image (*.periph.jic) 包含 GPIOs，I/Oregisters，GCLK、QCLK、RCLK 时钟网络，PLLs，收发器，存储器 PHY 接口，以及硬核 IP，例如 PCIe 硬核。这部分不能被更改和更新。Periphery image 存储在 FPGA 配置芯片内，上电加载。

•Core image (*.core.rbf) 包含被 configuration RAM (CRAM)配置的逻辑部分，包括 LABs, DSP, 和 embedded memory。FPGA 设备上电后主机端再经由所用的协议（此处为 PCIe）将 core image 下载并配置到 FPGA 内部。

2.   CvP 系统结构

CvP 系统由三部分组成：FPGA，PCIehost，FPGA 的配置器件。如图 1。

                           图 1 CvP 系统结构图

（1）配置器件与 FPGA 通过传统配置接口互联。对于 V 系列和 Arria10 器件来说，可支持任何配置方式，例如 AS，PS 或 FPP。针对 Stratix10，可采用 Active Serial x4 (fast mode) 或 Avalon Streaming (Avalon-ST) x8。对于 Agilex 系列器件，只可采用 Active Serial x4 (fast mode)。

（2）对于 V 系列、Arria10、Stratix10、Cyclone10GX，只有器件底部左侧的 PCIe 硬核才支持 CvP 功能，其他的 PCIe 硬核可作常规功能使用。而对于 Agilex 系列，左侧的 PCIe 硬核都支持 CvP 功能。在硬件设计阶段需要确认使用哪个 PCIe 做 CvP，一旦确定，则只有这个 PCIe 硬核作为 Endpoint 可以使能 CvP 功能，其他 PCIe 硬核不能再作此用途，但可作为常规 PCIe 接口用。

（3）其他 PCIe 硬核能作为常规 PCIe 接口使用。

3.   CvP 价值

• 由于只需要存储 periphery logic，FPGA 的配置器件可以选择小容量器件，降低成本。

• Coreimage 存在主机端，提高核心逻辑的安全性。

• 对于支持 CvP Update Mode 的器件来说，可支持动态的核心逻辑更新，而不需要系统断电重启。

• 主机侧提供了简单的软件配置模型。

4.   CvP 模式

CvP 有两种模式：CvP Initialization mode 和 CvP Update mode。

4.1 CvP Initialization Mode 初始化模式

FPGA 在上电时加载配置芯片上的 peripheral image，在 100ms 的枚举时间内成功配置其 PCIe 接口，使主机能正确枚举该 PCIe 设备。主机启动后再通过 PCIe 链路配置 FPGA 核心逻辑。

CvP Initialization Mode 优势：

• 保证 FPGA PCIe 设备满足枚举时间。

• FPGA 的配置器件可以选择小容量器件，降低成本。

• 保证主机侧核心逻辑的安全性。

4.2 CvP Update Mode 更新模式

当 FPGA 进入用户模式，对除 CvP PCIe 核之外的其他逻辑通过 CvP 进行重新配置，此时 CvP PCIe 既可以做常规 PCIe 使用，又可以实现 FPGA 核心逻辑的更新。为使用该模式，需要参考 Partition 的流程对工程进行分模块 Partition 和 Logic Lock 设计，以重复利用设备外设，保证 peripheral image 不变。

当有以下几种需要时，可以考虑使用该模式：

• 需要对核心逻辑进行更新。

• 根据功能发布情况对设备进行更新。

4.3 不同器件系列支持的模式

前面说到 ArriaV，CycloneV，StratixV，Arria10，Cyclone10GX，Stratix10，Agilex 都支持 CvP，但不同系列器件支持的模式有所差异，具体如表 1，其中 Agilex 只支持 InitializationMode，如表 2。

表 1 不同器件系列支持的模式

表 2 Agilex 系列支持的模式

5.   CvP Initialization mode 实现流程和注意事项

使用 Stratix V 开发板实现 CvP Initialization mode 的流程及注意事项。

• 板卡：Stratix-VGX Dev Kit (PCIe board)，PCIe Gen1x8。

• 主机：64 位 Windows7 操作系统。

• Quartus 版本：QuartusII 64-Bit Version 14.1.0 Build 186

5.1 实现流程

1. 构建含 PCIe IP 的工程，此处采用 S5PCIe 的 Example design。

2. 打开工程内 PCIe IP 的 GUI，勾选“Enable configuration via the PCIe link”。

3. 在 Assignments => Device => Device andPin Options => Configuration 中选择 FPGA 的配置模式为 Active Serial x4（并设置 MSEL）。

在 Assignments => Device => Device and Pin Options => CvPSettings 选择 configuration via protocol 为 Core initialization。

4. 根据开发板分配管脚并编译工程，生成 cvp_example.sof。

5. 将生成的 cvp_example.sof 进行拆分，打开 File => Convert Programming Files，设置 Programmingfile type 为 JTAG Indirect Configuration File (.jic)。添加 cvp_example.sof，勾选 Create Memory Map File 和 Create CvP files。点击 Generate 之后，cvp_example.sof 就被拆分成两部分，cvp_example.periph.jic 和 cvp_example.core.rbf。

6. 关闭主机，将 PCIE 板卡连上 JTAG，插在主机 PCIe 插槽里，主机再上电启动。此时 PCIE 板卡由 PCIE 插槽供电。打开 Quartus II Programmer，点击 Auto Detect 扫描 JTAG 链，选择 FPGA 点击 ChangeFile，选择之前生成的 cvp_example.periph.jic 文件，并烧写进 EPCQ256。

7. 重新启动主机，枚举 PCIe 设备。此时已经加载了 cvp_example.periph.jic 的 PCIE 板卡将作为 PCIE 设备被系统识别。根据 PCIe IP 的设置，在主机侧查看 DeviceID 为 E001，Vendor ID 为 1172 的 PCIe 设备。

此时可以下载一个免费软件“RW – Read & Write Utility”。找到 Device ID 为 E001，Vendor ID 为 1172 的 PCIe 设备。

8. 在主机上使用 quartus_cvp 对识别到的 PCIe 板卡（Device ID 为 E001，VendorID 为 1172）加载核心逻辑部分 cvp_example.core.rbf。打开 Windows CMD，更改路径到 cvp_example.core.rbf 所在的位置。

输入如下命令并回车：

• quartus_cvp--vid=1172 --did=e001 cvp_example.core.rbf

如果成功执行该命令，会出现如下界面，表示核心逻辑已被成功加载进 FPGA，此时 FPGA 进入 usermode，可以正确工作。

5.2 注意事项

运行 quartus_cvp 时需要安装 Jungo WinDriver。