FPGA在微處理器系統(tǒng)中的在應(yīng)用配置

可編程邏輯器件（PLD）廣泛應(yīng)用在各種電路設(shè)計(jì)中。基于查找表技術(shù)、SRAM工藝的大規(guī)模PLD/FPGA，密度高且觸發(fā)器多，適用于復(fù)雜的時(shí)序邏輯，如數(shù)字信號(hào)處理和各種算法的設(shè)計(jì)。這類器件使用SRAM單元存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)決定了PLD內(nèi)部互連和功能，改變配置數(shù)據(jù)，也就改變了器件的邏輯功能。SRAM編程時(shí)間短，為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)改變PLD的邏輯功能創(chuàng)造了條件。但由于SRAM的數(shù)據(jù)是易失的，配置數(shù)據(jù)必須保存在PLD器件以外的非易失存儲(chǔ)器內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)在線可重配置（ICR）。

1 在應(yīng)用配置（動(dòng)態(tài)配置）

同一設(shè)備在實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用時(shí)，要求FPGA實(shí)現(xiàn)不同的功能。如手持多媒體設(shè)備，可拍攝分辨率較高的靜止圖像照，采用JPEG2000壓縮，也可傳送活動(dòng)圖像，采用H.263，H.264/AVC等。單純使用軟件實(shí)現(xiàn)速度慢，需要對(duì)算法進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化；而使用硬件實(shí)現(xiàn)則速度快，但靈活性差。為此，采用微處理器和FPGA相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)手持多媒體終端，微處理器實(shí)現(xiàn)程序控制，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)大量的規(guī)則運(yùn)算。此外，手持設(shè)備的某些應(yīng)用（如靜止圖像和活動(dòng)視頻壓縮）可能并不同時(shí)實(shí)現(xiàn)。若在一片F(xiàn)PGA同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些功能，不僅布線復(fù)雜，功能難以實(shí)現(xiàn)，而且需要更大規(guī)模的FPGA。若使用不同的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，使FPGA在不同時(shí)刻實(shí)現(xiàn)不同的功能，則FPGA的容量可以顯著降低，從而降低設(shè)備的體積、功耗及成本。

圖 1 APEX FPGA的主動(dòng)串行（PS）配置時(shí)序圖

使用在應(yīng)用配置時(shí)，首先把應(yīng)用分集，可能同時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用分成一組，耗時(shí)的規(guī)則運(yùn)算由FPGA實(shí)現(xiàn)，其它由微處理器實(shí)現(xiàn)。把一個(gè)FPGA芯片的多個(gè)配置文件連續(xù)地存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，在程序執(zhí)行時(shí)，微處理器把對(duì)應(yīng)特定應(yīng)用的配置數(shù)據(jù)裝載到FPGA中并完成初始化，在FPGA進(jìn)入用戶模式后就能實(shí)現(xiàn)特定的功能了。這種方法可以采用更小規(guī)模的FPGA，不必使用專用的昂貴配置芯片（如ALTERA的EPC1、EPC2等）來存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，因而可顯著地節(jié)省系統(tǒng)成本。

ALTERA SRAM工藝的FPGA配置方式主要分為兩大類：主動(dòng)配置和被動(dòng)配置。主動(dòng)配置方式由PLD器件引導(dǎo)配置操作過程，它控制著外部存儲(chǔ)器和初始化過程；而被動(dòng)配置方式則由外部計(jì)算機(jī)或控制器控制配置過程。根據(jù)數(shù)據(jù)線的多少又可以將PLD器件配置方式分為并行配置和串行配置兩大類。下面以ALTERA APEX20KC系列器件為例，介紹兩種在微處理器系統(tǒng)里連接簡(jiǎn)單且使用方便的配置方式：被動(dòng)串行配置和被動(dòng)并行異步配置。

2 被動(dòng)串行配置（PS）

被動(dòng)串行配置的主要配置引腳如下：

nSTATUS:命令狀態(tài)下為器件的狀態(tài)輸出。加電后，F(xiàn)PGA立即驅(qū)動(dòng)該引腳到低電位，然后在5μs內(nèi)釋放它。NSTATUS經(jīng)過10kΩ電阻上拉到Vcc，如果配置中發(fā)生錯(cuò)誤，F(xiàn)PGA將其拉低。在配置或者初始化時(shí)，若配置電路將nSTATUS拉低，F(xiàn)PGA進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。

NCONFIG:配置控制輸入。低電位使器件復(fù)位，由低到高的電位跳變啟動(dòng)配置。

CONF_DONF：雙向漏極開路；在配置前和配置期間為狀態(tài)輸出，F(xiàn)PGA將其驅(qū)動(dòng)為低。所有配置數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤接收并且初始化時(shí)鐘周期開始后，F(xiàn)PGA將其置為三態(tài)，由于有上拉電阻，所以將其變?yōu)楦唠娖剑硎九渲贸晒?。在配置結(jié)束且初始化開始時(shí)，CONF_DONE為狀態(tài)輸入：若配置電路驅(qū)動(dòng)該管腳到低，則推遲初始化工作；輸入高電位則引導(dǎo)器件執(zhí)行初始化過程并進(jìn)入用戶狀態(tài)。

DCLK：時(shí)鐘輸入，為外部數(shù)據(jù)源提供時(shí)鐘。

nCE:FPGA器件使能輸入。nCE為低時(shí)，使能配置過程。單片配置時(shí)，nCE必須始終為低。

nCEO:輸出（專用于多片器件）。FPGA配置完成后，輸出為低。在多片級(jí)聯(lián)配置時(shí)，驅(qū)動(dòng)下一片的nCE端。

DATA0：數(shù)據(jù)輸入，在DATA0引腳上的一位配置數(shù)據(jù)。

PORSEL：專用輸入，用來設(shè)置上電復(fù)位（POR）的延時(shí)時(shí)間。

圖 2 使用微處理器的被動(dòng)串行配置方案

nIO_PULLUP:輸入。低電平時(shí)，在配置前和配置期間使能內(nèi)部弱的上拉電阻，將用戶管腳拉至VCCIO。

幾乎所有ALTERA FPGA器件都支持被動(dòng)串行配置。被動(dòng)串行配置的是序圖如圖1所示，在這種配置方式中沒有握手信號(hào)，配置時(shí)鐘的工作頻率必須在器件允許的范圍，最低頻率沒有限制。為了開始配置，配置管腳和JTAG管腳所在的bank的VCCINT、VCCIO必需供電。FPGA上電后進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。nCONFIG被置為低電平，使FPGA進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)；nCONFIG由低到高的電位跳變啟動(dòng)配置過程。整個(gè)配置包括三個(gè)階段：復(fù)位、配置和初始化。當(dāng)nSTATUS或者nCONFIG為低電平時(shí)，器件脫離復(fù)位狀態(tài)，并且釋放漏極開路的nSTATUS管腳。在nSTATUS釋放后，被外部電阻拉高，這時(shí)nSTATUS和nCONFIG同時(shí)為高電平，F(xiàn)PGA準(zhǔn)備接收配置數(shù)據(jù)，配置階段開始。在串行配置過程中，F(xiàn)PGA在DCLK上升沿鎖存DATA0引腳上的數(shù)據(jù)。成功接收到所有數(shù)據(jù)后，釋放CONF_DONE引腳，并被外部電阻拉高。CONF_DONE由低到高的轉(zhuǎn)變標(biāo)志配置結(jié)束，初始化開始。此后，DCLK必須提供幾個(gè)周期的時(shí)鐘（具體周期數(shù)據(jù)與DCLK的頻率有關(guān)），確保目標(biāo)芯片被正確初始化。初始化完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入用戶工作模式。如果使用了可選的INIT_DONE信號(hào)，在初始化結(jié)束后，INIT_DONE被釋放，且被外部電阻拉高，這時(shí)進(jìn)入用戶模式。DCLK、DATA、DATA0配置后不能三態(tài)，可置高或者置低。

在配置過程中，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，F(xiàn)PGA將nSTATUS拉低。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)識(shí)別到這個(gè)信號(hào)后，重新啟動(dòng)配置過程。NCONFIG由高變低，再變高可以重新進(jìn)行配置。一旦nCONFIG被置低，nSTATUS和CONF_DONE也將被FPGA置低。當(dāng)nSTATUS和nCONFIG同時(shí)為高電平時(shí)，配置開始。

圖2是采用微處理器的FPGA被動(dòng)串行配置方案的簡(jiǎn)化電路圖。配置過程為：由微處理器將nCONFIG置低再置高來初始化配置；檢測(cè)到nSTATUS變高后，就將配置數(shù)據(jù)和移位時(shí)鐘分別送到DATA0和DCLK管腳；送完配置數(shù)據(jù)后，檢測(cè)CONF_DONE是否變高，若未變高，說明配置失敗，應(yīng)該重新啟動(dòng)配置過程。在檢測(cè)CONF_DONE變高后，根據(jù)器件的定時(shí)參數(shù)再送一定數(shù)量的時(shí)鐘到DCLK管腳；待FPGA初始化完畢后進(jìn)入用戶模式。如果單片機(jī)具有同步串口，DATA0、DCLK使用同步串口的串行數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘輸出，這時(shí)只需要簡(jiǎn)單把數(shù)據(jù)字節(jié)或字鎖存到發(fā)送緩沖器就可以了。在使用普通I/O線輸出數(shù)據(jù)時(shí)，每輸出1個(gè)比特，就要將DCLK置低再置高產(chǎn)生一個(gè)上升沿。它比ALTERA公司手冊(cè)給出的電路連接圖更有效地使用了存儲(chǔ)器。

圖 3 使用微處理器的被動(dòng)并行異步配置電路

3 被動(dòng)并行異步配置

如同被動(dòng)串行配置一樣，被動(dòng)并行異步配置也包括三個(gè)階段：復(fù)位、配置和初始化。被動(dòng)并行異步配置電路圖如圖3所示。當(dāng)nSTATUS或者nCONFIG為低電平時(shí)，器件處于復(fù)位狀態(tài)。微處理器在nCONFIG管腳產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變啟動(dòng)FPGA的配置。當(dāng)nCONFIG變高后，器件脫離復(fù)位狀態(tài)，并且釋放漏極開路的nSTATUS管腳，F(xiàn)PGA準(zhǔn)備接收配置數(shù)據(jù)，配置階段開始。在配置階段，微處理器FPGA當(dāng)作存儲(chǔ)器，進(jìn)行寫操作，即微處理器先使片選有效，然后把8比特?cái)?shù)據(jù)送到Data[0:7]管腳上，并配置管腳RDYnBSY到低電平，表示FPGA正忙于處理配置數(shù)據(jù)，微處理器可執(zhí)行其它功能。在RDYnBSY低電平期間，F(xiàn)PGA使用內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘處理配置數(shù)據(jù)。當(dāng)FPGA準(zhǔn)備接收下一字節(jié)的配置數(shù)據(jù)時(shí)，它驅(qū)動(dòng)RDYnBSY到高電平。微處理器檢測(cè)到這一高電平，便送下一字節(jié)數(shù)據(jù)到配置管腳。為了節(jié)省一根用來檢測(cè)RDYnBSY的I/O線，可采用讀存儲(chǔ)器的方法讀FPGA，其中nRS為存儲(chǔ)器讀信號(hào)，在nRS有效期間，RDYnBSY信號(hào)被送到數(shù)據(jù)線D7上。也可以不檢測(cè)RDYnBSY，也不讀FPGA，簡(jiǎn)單地等待延時(shí)tBUSY(max)+tRDY2WS+tW2SB之后就寫下一個(gè)配置數(shù)據(jù)字節(jié)。FPGA每處理一字節(jié)配置數(shù)據(jù)后，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)將nSTATUS拉低，暗示配置出錯(cuò)。微處理器可以檢測(cè)這一錯(cuò)誤，并重新進(jìn)行配置。如同被動(dòng)串行配置一樣，FPGA在正確接收所有配置數(shù)據(jù)后，將釋放CONF_DONE信號(hào)，于是該管腳被外部上拉電阻拉高，表示配置結(jié)束，初始化開始。

4 配置數(shù)據(jù)文件的生成

Altera的MAX+PLUS II或Quartus II開發(fā)工具可以生成多種格式的配置文件，用于不同配置方法。不同目標(biāo)器件，配置數(shù)據(jù)的大小不同。配置文件的大小一般由二進(jìn)制文件（擴(kuò)展名為.rbf）決定。Altera提供的軟件工具不自動(dòng)生成.rbf文件，需要按照下面的步驟生成：①在MAX+PLUS II編譯狀態(tài)，選擇文件菜單中的變換SRAM目標(biāo)文件命令；②在變換SRAM目標(biāo)文件對(duì)話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后予以確定。