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。

關(guān)鍵詞： 配置 可編程邏輯器件 FPGA 在線配置

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。

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?，此后，DCLK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?？梢哉f，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AT24C256。）

3 軟件設(shè)計

　　 在該配置方案中，軟件包括在PC機(jī)端的控制軟件和在AT89C2051端的控制軟件兩部分。PC機(jī)端的軟件采用Visual Basic語言編程，而AT89C2051采用匯編語言進(jìn)行編程。

3.1 PC機(jī)端的軟件

　　 PC機(jī)端的軟件采用Visual Basic語言編程。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式，而且可以十分簡便地作出良好的人機(jī)界面。PC機(jī)端的控制程序主要實現(xiàn)讀取.rbf文件并將其通過串口送出的功能。讀取文件時，主要使用讀取二進(jìn)制文件命令。在串口通信方面，使用VB提供的具有強(qiáng)大功能的串口通信控件MSCOMM。該控件可設(shè)置串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議。
在實際工作中，要實現(xiàn)AT89C2051和PC機(jī)之間的有效通信，必須使其具有相同的波特率和相同的通信協(xié)議。作者采用了9600bps的波特率和N.8.1幀結(jié)構(gòu)。N.8.1幀結(jié)構(gòu)表示1幀串行數(shù)據(jù)有10位：起始位占用1位（低電平），用來表示字符開始；后8位為數(shù)據(jù)編碼，無奇偶校驗位；最后為停止位（高電平），用來表示字符傳送結(jié)束。單片機(jī)的串行口工作在方式1。方式1是標(biāo)準(zhǔn)的10位異步通信方式，10位數(shù)據(jù)和PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口相對應(yīng)，傳送的波特率由單片機(jī)工作時鐘和T1的溢出率共同決定。

3.2 ICR控制電路軟件

　　 在圖3介紹的ICR控制電路中，其存儲FPGA配置數(shù)據(jù)的存儲器 AT24C256采用I2C串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其數(shù)據(jù)交換速度較慢，而FPGA配置數(shù)據(jù)又比較大，因此如何提高圖3介紹的ICR控制電路的配置速度將是軟件設(shè)計上的一個重點(diǎn)。限制速度的瓶頸主要是從AT24C256讀取數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入FPGA器件中。從AT24C256讀取數(shù)據(jù)，有讀當(dāng)前地址、隨機(jī)讀和順序讀三種方式。這三種方式中，順序讀最簡單、速度最快。因為在同一片AT24C256中，僅需要寫入一次讀命令就可以按順序從0地址開始直至讀完整片AT24C256中的全部數(shù)據(jù)。向FPGA器件寫數(shù)據(jù)時，可以使用串行口的移位寄存器工作方式，即方式0。方式0數(shù)據(jù)的傳送以8位為1幀，無論是發(fā)送或是接收都是最低有效位居先。這和FPGA對數(shù)據(jù)的要求一致，傳送的波特率固定為振蕩頻率的1/12。本系統(tǒng)只需用到輸出方式，串行數(shù)據(jù)通過RXD端輸出，而用TXD端輸出移位脈沖。當(dāng)1字節(jié)數(shù)據(jù)寫入串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF時，就開始發(fā)送。在此期間，發(fā)送控制器送出移位信號，使發(fā)送移位寄存器的內(nèi)容右移1位，直至最高位(D7位)移出后，停止發(fā)送數(shù)據(jù)和移位時鐘脈沖。發(fā)送完1字節(jié)數(shù)據(jù)后，硬件置發(fā)送標(biāo)志位TI為1，通過判斷TI的狀態(tài)決定是否向SBUF寫入數(shù)據(jù)。采用這種方式比采用普通（I/O）口要快很多。

4 結(jié) 論

　　 我們設(shè)計的基于微控制器的FPGA器件的 ICR控制系統(tǒng)，具有線路結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)容易、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)；可以支持3.3V和5V系統(tǒng)的配置；適用于需要ICR功能的電子裝置中。該ICR控制電路是為配置Altera公司FLEX系列的FPGA器件而設(shè)計的，稍加修改也適用于其它系列的FPGA器件。這個配置電路的主要弱點(diǎn)在于配置速率較慢，只能適用于配置速率要求不高的應(yīng)用。
王玉化：工程師，研究方向EDA技術(shù)和嵌入式可編程系統(tǒng)。