FPGA上電時(shí)序加載過(guò)程詳解

目前，大多數(shù)FPGA芯片是基于 SRAM 的結(jié)構(gòu)的， 而 SRAM 單元中的數(shù)據(jù)掉電就會(huì)丟失，因此系統(tǒng)上電后，必須要由配置電路將正確的配置數(shù)據(jù)加載到 SRAM 中，此后 FPGA 才能夠正常的運(yùn)行。

常見的配置芯片有EPCS 芯片 （EPCS4、EPCS8、EPCS16、EPCS64、EPCS128），還有通用的串行 SPI FLASH 芯片如 M25P40、 M25P16、 W25Q16 等。

配置(configuration)是對(duì)FPGA的內(nèi)容進(jìn)行編程的過(guò)程。每次上電后都需要進(jìn)行配置是基于SRAM工藝FPGA的一個(gè)特點(diǎn)，也可以說(shuō)是一個(gè)缺點(diǎn)。FPGA配置過(guò)程如下：

2.FPGA配置方式

根據(jù)FPGA在配置電路中的角色，可以將配置方式分為三類：

1.FPGA主動(dòng)串行(AS)方式

2. JTAG方式

3. FPGA被動(dòng)(Passive)方式

3.FPGA配置過(guò)程

FPGA的配置包括3各階段：復(fù)位、配置和初始化。

FPGA正常上電后，當(dāng)其nCONFIG管腳被拉低時(shí)，器件處于復(fù)位狀態(tài)，這時(shí)所有的配置RAM內(nèi)容被清空，并且所有I/O處于高阻態(tài)，F(xiàn)PGA的狀態(tài)管腳nSTATUS和CONFIG_DONE管腳也將輸出為低。當(dāng)FPGA的nCONFIG管腳上出現(xiàn)一個(gè)從低到高的跳變以后，配置就開始了，同時(shí)芯片還會(huì)去采樣配置模式（MSEL）管腳的信號(hào)狀態(tài)，決定接受何種配置模式。

隨之，芯片將釋放漏極開路（open-drain）輸出的nSTATUS管腳，使其由片外的上拉電阻拉高，這樣，就表示FPGA可以接收配置數(shù)據(jù)了。在配置之前和配置過(guò)程中，F(xiàn)PGA的用戶I/O均處于高阻態(tài)。

在接收配置數(shù)據(jù)的過(guò)程中，配置數(shù)據(jù)由DATA管腳送入，而配置時(shí)鐘信號(hào)由DCLK管腳送入，配置數(shù)據(jù)在DCLK的上升沿被鎖存到FPGA中，當(dāng)配置數(shù)據(jù)被全部載入到FPGA中以后，F(xiàn)PGA上的CONF_DONE信號(hào)就會(huì)被釋放，而漏極開路輸出的CONF_DONE信號(hào)同樣將由外部的上拉電阻拉高。因此，CONF_DONE管腳的從低到高的跳變意味著配置的完成，初始化過(guò)程的開始，而并不是芯片開始正常工作。

INIT_DONE是初始化完成的指示信號(hào)，它是FPGA中可選的信號(hào)，需要通過(guò)Quartus II工具中的設(shè)置決定是否使用該管腳。在初始化過(guò)程中，內(nèi)部邏輯、內(nèi)部寄存器和I/O寄存器將被初始化，I/O驅(qū)動(dòng)器將被使能。

當(dāng)初始化完成以后，器件上漏極開始輸出的INIT_DONE管腳被釋放，同時(shí)被外部的上拉電阻拉高。這時(shí)，F(xiàn)PGA完全進(jìn)入用戶模式，所有的內(nèi)部邏輯以及I/O都按照用戶的設(shè)計(jì)運(yùn)行，這時(shí)，那些FPGA配置過(guò)程中的I/O弱上拉將不復(fù)存在。不過(guò)，還有一些器件在用戶模式下I/O也有可編程的弱上拉電阻。在完成配置以后，DCLK信號(hào)和DATA管腳不應(yīng)該被浮空（floating）,而應(yīng)該被拉成固定電平，高或低都可以。

4.FPGA配置模式選擇

用戶可以通過(guò)設(shè)置FPGA上的MSEL0、MESL1兩個(gè)引腳的狀態(tài)來(lái)選擇配置方式。各種方式的MSEL0、MESL1設(shè)置如下表所列：

說(shuō)明：

在上表中，如果只采用一種配置方式，則可以直接將MSEL0、MESL1連接到VCC（注意要與FPGA的IO口的供電VCCIO相同）或GND；

如果需要多種配置方式，那么MSEL要用控制器（單片機(jī)、CPLD等）來(lái)控制以進(jìn)行切換；

MSEL管腳在配置開始前必須處于一個(gè)固定的狀態(tài)，因此不能將MSEL管腳懸空。

5.主動(dòng)串行配置

主動(dòng)串行配置方式(AS)是將配置數(shù)據(jù)事先存儲(chǔ)在串行配置器件EPCS中,然后在系統(tǒng)上電時(shí)Cyclone IV FPGA通過(guò)串行接口讀取配置數(shù)據(jù)（如果是壓縮數(shù)據(jù)，還會(huì)進(jìn)行解壓縮處理）對(duì)內(nèi)部的SRAM單元進(jìn)行配置。

因?yàn)樯鲜雠渲眠^(guò)程中FPGA控制配置接口，因此通常稱為主動(dòng)配置方式。在配置期間，Cyclone IV用過(guò)串行接口來(lái)讀配置數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)里面的SRAM編程。串行配置器件的四個(gè)接口包括，串行時(shí)鐘輸入DCLK，串行數(shù)據(jù)輸出DATA，低有效的片選信號(hào)NCE，串行數(shù)據(jù)輸入ASDI。

主動(dòng)串行配置電路圖：

因?yàn)镕PGA上的nSTATUS、CONFIG_DONE管腳都是開漏結(jié)構(gòu)，所以都要接上拉電阻。FPGA的片選腳nCE必須接地。

6.JTAG配置

通過(guò)JTAG接口，利用Quartus II軟件可以直接對(duì)FPGA進(jìn)行單獨(dú)的硬件重新配置。Quartus II軟件在編譯時(shí)會(huì)自動(dòng)生成用于JTAG配置的.sof文件。

如果同時(shí)使用AS方式和JTAG方式來(lái)配置FPGA，JTAG配置方式擁有最高的優(yōu)先級(jí)，此時(shí)AS方式將停止，而執(zhí)行JTAG方式配置。

利用Quartus II軟件和USB Blaster等下載電纜可下載配置數(shù)據(jù)到FPGA。Quartus II軟件可以驗(yàn)證JTAG配置是否成功。JTAG配置通過(guò)下載電纜使用SOF、Jam或者JBC文件直接對(duì)FPGA進(jìn)行配置，這種配置方式只能用于調(diào)試階段，因?yàn)?，掉電后FPGA中的配置數(shù)據(jù)將丟失。

7.被動(dòng)串行配置

被動(dòng)串行PS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中比較常用的方式。但是，在工程應(yīng)用中若采用這種配置方式，F(xiàn)PGA需要連接一個(gè)智能主機(jī)（比如復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD/微控制單元MCU等）以給其提供配置時(shí)鐘和配置數(shù)據(jù)。

在該配置方式下，智能主機(jī)在保證與存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)的閃存通信無(wú)誤的情況下，只需向FPGA提供一個(gè)DCLK信號(hào)和一個(gè)DATA0信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的配置。另外，該DCLK信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)多種頻率以滿足用戶對(duì)配置時(shí)間的需求，這是該配置方式的一大亮點(diǎn)。

本文介紹了以Altera型的FPGA芯片為例介紹了FPGA的上電過(guò)程，并描述了三種常見的配置模式，用戶可以根據(jù)不同的需求來(lái)采用對(duì)應(yīng)的配置模式，每種配置模式下對(duì)應(yīng)的配置數(shù)據(jù)類型也是不相同的。