2021-12-29
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作者 Nicole Zhang
文章来源 Cytech Engineer

Intel CvP 及其实现流程

Intel CvP 及其实现流程1.png

一、Intel CvP 简介

CvP（Configuration via Protocol）是一种通过协议实现配置的方案， 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：periphery image 及 core image

  • Periphery image (*.periph.jic) 包含GPIOs，I/O registers，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。

二、CvP 系统结构

CvP系统由三部分组成：FPGA，PCIe host，FPGA的配置器件

CvP系统结构图如下图（图1）所示:

图1 CvP系统结构图.png
图1 CvP系统结构图
  • 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。但是针对Stratix10和Agilex系列器件，只可采用AS（fast mode）。
  • 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。
  • 其他PCIe硬核能作为常规PCIe接口使用。

三、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。
  • Core image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。

四、CvP 模式

CvP的两种模式：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Initialization Mode，如（表2）。

器件系列支持的CvP模式
PCIe Gen1PCIe Gen2PCIe Gen3
Stratix 10

CvP Initialization

CvP Update

CvP Initialization

CvP Update

CvP Initialization

CvP Update

Arria 10CvP InitializationCvP InitializationCvP Initialization
Cyclone 10CvP InitializationCvP InitializationNo Support
Stratix VCvP Initialization

CvP Initialization

CvP Update

No Support
Arria V GZ

CvP Initialization

CvP Update

CvP Initialization

CvP Update

No Support
Arria V

CvP Initialization

CvP Update

CvP InitializationNo Support
Cyclone V

CvP Initialization

CvP Update

CvP InitializationNo Support

表1 不同器件系列支持的模式

器件系列支持的CvP模式
PCIe Gen3 x16

PCIe Gen4 x16

(P- tile)

PCIe Gen4 x8PCIe Gen3 x8
AgilexCvP Initialization

表2 Agilex系列支持的模式

五、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-V GX Dev Kit (PCIe board)，PCIe Gen1x8。
  • 主机：64位Windows7操作系统。
  • Quartus版本：Quartus II 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S5 PCIe的Example design。

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

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图2 PCIe IP中CvP功能的使能

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

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图3 FPGA配置模式的设置

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

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图4 CvP模式的设置

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Programming file 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。

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图5 Convert Programming Files的设置

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Change File，选择之前生成的cvp_example.periph.jic文件，并烧写进EPCQ256。

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图6 .periph.jic部分的烧写界面

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Device ID为E001，Vendor ID为1172的PCIe设备。

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图7 PCIe IP内Vendor ID和Device ID的设置

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。

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图8 通过“RW – Read & Write Utility”查找设备的界面

8. 在主机上使用quartus_cvp对识别到的PCIe板卡（Device ID为E001，Vendor ID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user mode，可以正确工作。

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图9 通过quartus_cvp成功下载.core.rbf后的界面

5.2 注意事项

运行quartus_cvp时需要安装Jungo WinDriver。

 

5.2.1 在Windows上安装步骤为：

 

   1. 指向 <Quartus installation path>\quartus\drivers\wdrvr\windows[32|64] 并运行如下指令:

 

     a. wdreg -inf windrvr6.inf install

 

     b. wdreg -inf s5_cvp.inf install

 

（此处以Stratix V为例。如果设备还没有插入主机，则使用preinstall 代替install。）

 

   2. 将wdapi1021.dll 拷贝到%windir%\system32路径下。

 

   3. 现在就可以使用quartus_cvp将核心逻辑RBF文件下载到FPGA。

 

    a. 指向<Quartus installation path>\quartus\bin

 

    b. quartus_cvp --vid=<Vendor ID> --did=<Device ID> <Core RBF file path>

 

5.2.2 在Linux上安装步骤为：

 

   1. 指向 <Quartus installation path>/quartus/drivers/wdrvr/linux[32|64] 并运行如下指令:

 

    a. ./configure --disable-usb-support

 

    b. make

 

    c. su

 

    d. make install

 

   2. 更改/dev/windrvr6文件的权限，例如chmod 666 /dev/windrvr6。

 

   3. 如果是64位 Linux系统，在运行quartus_cvp前设置QUARTUS_64BIT环境变量export QUARTUS_64BIT=1。

 

   4. 现在就可以使用quartus_cvp将核心逻辑RBF文件下载到FPGA。

 

     a. 指向<Quartus installation path>\quartus\bin

 

     b. ./quartus_cvp --vid=<Vendor ID> --did=<Device ID> <Core RBF file path>

六、总结

本文介绍了Intel CvP功能的概念、优势、initialization和Update两种模式，以及CvP initialization模式的具体实现步骤。对于当前随着FPGA的逻辑规模越来越大，怎么保证基于FPGA的PCIe插卡在100ms的PCIe枚举时间内完成配置这个问题，CvP initialization模式提供了一个简单有效的解决方案。CvP的另一种模式：update模式，是对于有内核逻辑更新需求的场合的一套解决方案，本文虽没有具体介绍这个功能的实现，但Intel提供了详细的UG，欢迎参考、试验和交流，您可请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。

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