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FPGA器件的在線配置方法
摘要：介紹基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的上電配置方式；著重介紹采用計算機(jī)串口下載配置數(shù)據(jù)的方法和AT89C2051單片機(jī)、串行EEPROM組成的串行配置系統(tǒng)的設(shè)計方法及實現(xiàn)多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)中配置的方法，并從系統(tǒng)的復(fù)雜度、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比較和分析。引 言
??在當(dāng)今變化的市場環(huán)境中，產(chǎn)品是否便于現(xiàn)場升級，是否便于靈活使用成為產(chǎn)品能否進(jìn)入市場的關(guān)鍵因素。在這種背景下，Altera公司的基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件得到了廣泛的應(yīng)用。雖然這些器件應(yīng)用廣泛，但由于其內(nèi)部采用SRAM工藝，它的配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM中。由于SRAM的易失性，每次系統(tǒng)上電時，必須重新配置數(shù)據(jù)，即ICR(In-Circuit Reconfigurability)，只有在數(shù)據(jù)配置正確的情況下系統(tǒng)才能正常工作。在線配置方式一般有兩類：一是通過下載電纜由計算機(jī)直接對其進(jìn)行配置，二是通過配置芯片對其進(jìn)行配置。通過PC機(jī)對FPGA進(jìn)行在系統(tǒng)重配置，雖然在調(diào)試時非常方便，但在應(yīng)用現(xiàn)場是很不現(xiàn)實的。上電后，自動加載配置對FPGA應(yīng)用來說是必需的。Altera公司提供的配置芯片有一次可編程型和可擦除編程型兩種：一次可編程型芯片只能寫入一次，不適合開發(fā)階段反復(fù)調(diào)試、修改及產(chǎn)品的方便升級；可擦除編程型價格昂貴，且容量有限，對容量較大的可編程邏輯器件，需要多片配置芯片組成菊花鏈形進(jìn)行配置，增加系統(tǒng)設(shè)計的難度。
為了降低成本，目前在開發(fā)階段多用可擦除型配置芯片；最終產(chǎn)品用不可擦寫的配置芯片，但一次簡單的代碼更換就需要更換一次器件，這在產(chǎn)品升級時很不實用。至今還沒有低成本的配置芯片出現(xiàn)，而我們采用的這套配置方案充分考慮了在FPGA實際使用中，對設(shè)計的保密性和設(shè)計的可升級的要求，不但可以實現(xiàn)代替價格昂貴的不可擦寫和可擦寫配置芯片，而且可以實現(xiàn)多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置。該方案有PC機(jī)控制程序、單片機(jī)和外部串行存儲器組成，只要通過替換外部串行存儲器，就可實現(xiàn)對不同容量的多種配置芯片的代替。PC機(jī)是用來將配置數(shù)據(jù)寫入存儲器的，在寫好數(shù)據(jù)后該配置系統(tǒng)不再需要PC機(jī)的控制，在單片機(jī)的控制下實現(xiàn)ICR或多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置。多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置即將多個配置文件分區(qū)存儲到外部存儲器中，然后由單片機(jī)接收不同的命令，以選擇讀取不同存儲器區(qū)的數(shù)據(jù)下載到FPGA器件，實現(xiàn)在線配置成多種不同的工作模式。
圖1
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
Altera公司生產(chǎn)的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它們的配置方式可分為PS（被動串行）、PPS（被動并行同步）、PPA（被動并行異步）、PSA（被動串行異步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五種方式。這五種方式都能適用于單片機(jī)配置。PS方式因電路簡單，對配置時鐘的要求相對較低，而被廣泛應(yīng)用。我們的配置方案也采用PS配置方式來實現(xiàn)ICR功能，圖1是PS配置方式的時序圖。
被動串行工作過程：當(dāng)nconfig產(chǎn)生下降沿脈沖時啟動配置過程，在dclk上升沿，將數(shù)據(jù)移入目標(biāo)芯片。在配置過程中，系統(tǒng)需要實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)錯誤，nSTATUS將被拉低，系統(tǒng)識別到這個信號后，立即重新啟動配置過程。配置數(shù)據(jù)全部正確地移入目標(biāo)芯片內(nèi)部后，CONF_DONE信號跳變?yōu)楦撸撕螅珼CLK必須提供幾個周期的時鐘（具體周期數(shù)與DCLK的頻率有關(guān)），確保目標(biāo)芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶工作模式。
Altera的MAX PLUS II或Quartus II開發(fā)工具可以生成多種配置或編譯文件，用于不同配置方法的配置系統(tǒng)，而對于不同系列的目標(biāo)器件配置數(shù)據(jù)的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf文件決定。.rbf文件即二進(jìn)制文件。該文件包括所有的配置數(shù)據(jù)，一個字節(jié)的 .rbf文件有8位配置數(shù)據(jù)，每一字節(jié)在配置時最低位最先被裝載。微處理器可以讀取這個二進(jìn)制文件，并把它裝載到目標(biāo)器件中。Altera提供的軟件工具不自動生成 .rbf文件，須按照下面的步驟生成：① 在MAX PLUS II編譯狀態(tài)，選擇文件菜單的變換SRAM目標(biāo)文件命令； ② 在變換SRAM目標(biāo)文件對話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為 .rbf(Sequential)，然后確定。
2 配置電路結(jié)構(gòu)和原理
2.1 串行通信的電路結(jié)構(gòu)和原理
PC機(jī)與單片機(jī)的接口如圖2所示。AT89C2051單片機(jī)通過串行口直接接收PC機(jī)傳送來的串行數(shù)據(jù)，然后把接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器。由于PC機(jī)的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口，所以，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C2051在接口時會產(chǎn)生電平不同的問題。為了解決這個問題，在PC機(jī)和單片機(jī)的串行通信電路中加入了MAX232芯片，以實現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換。這樣PC機(jī)和AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行串行通信時就可以順利進(jìn)行了。除了電路結(jié)構(gòu)之外，要實現(xiàn)PC機(jī)和AT89C2051之間的通信，還需要有合適的通信軟件。
2.2 ICR控制電路原理
ICR電路原理如圖3所示。AT24C256用來存儲FPGA的配置數(shù)據(jù)。
ICR控制電路的工作過程為：經(jīng)MAXPLUS II編譯生產(chǎn)的配置文件(.sof)通過格式轉(zhuǎn)換成為 (.rbf)。然后，利用PC機(jī)端的控制程序，通過PC機(jī)的串行通信口，經(jīng)U1存儲在U2中。U1再根據(jù)系統(tǒng)的要求，通過P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5個I/O口，將其存儲在U2中的配置數(shù)據(jù)下載到電路中的FPGA器件中去。
因作者設(shè)計電路中的FPGA是Altera公司的FLEX系列的EPF10K10，其配置文件的容量為15KB，故電路中采用1片AT24C128就可存儲EPF10K10的配置數(shù)據(jù)。我們選用AT24C256器件可以存儲兩個配置文件，是為了實現(xiàn)多任務(wù)電路重構(gòu)，此時整個ICR控制電路只有2片IC。可以說，它是目前結(jié)構(gòu)最簡單、成本最低的ICR控制電路。如果配置的FPGA是EPF10K30或更大門數(shù)的器件，則需要大容量的存儲器件或多片AT24C256。（在兩線串行總線上最多可接4片A
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