基于CPLD的FPGA快速配置電路的設(shè)計(jì)

基于SRAM工藝的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)具有集成度高、邏輯功能強(qiáng)等特點(diǎn)；應(yīng)用FPGA進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，不但能減小電路的體積，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而且其先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具可使電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試周期大大縮短；FPGA可無(wú)限次重復(fù)擦寫，可使數(shù)字系統(tǒng)在線重新配置，設(shè)計(jì)更加靈活，功能更加強(qiáng)大，且易于更改和升級(jí)。由于FPGA中靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，系統(tǒng)每次上電后需重新配置數(shù)據(jù)，如何快速、高效地將配置數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)器件，并且保證其在掉電后再次上電能自動(dòng)可靠地恢復(fù)配置，就成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。本文就基于CPLD的FPGA并行數(shù)據(jù)配置方法和配置電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的研究，并給出具體的硬件電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵模塊的內(nèi)部編程思路。

1 FPGA數(shù)據(jù)配置方法比較

實(shí)現(xiàn)FPGA的數(shù)據(jù)配置方法有很多，但根據(jù)器件類型和應(yīng)用場(chǎng)合，Xilinx公司為其FPGA系列產(chǎn)品提供了多種數(shù)據(jù)配置方式，歸納起來(lái)主要有以下四種[3]：①采用JTAG方式加載；②采用主串方式加載；③采用從串方式加載；④采用并行方式加載。

JTAG方式數(shù)據(jù)加載方法是基于IEEE1149.1和IEEE1532的配置模式，通過(guò)TDI、TDO、TMS和TCK四根信號(hào)線接到FPGA上的相應(yīng)引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載。這種方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、無(wú)需外接PROM等存儲(chǔ)器件進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，但需要專用的數(shù)據(jù)配置電纜，因此該方法適用于數(shù)字系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)階段。

主串方式數(shù)據(jù)加載方法是通過(guò)串行方法讀取專用PROM存儲(chǔ)介質(zhì)中數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)FPGA的在線配置的，其配置時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部送出。這種方式電路實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但該配置方式必須使用Xilinx公司生產(chǎn)的專用PROM，應(yīng)用不靈活。

從串方式數(shù)據(jù)加載方法類似于主串方式，但配置時(shí)鐘由FPGA外部提供，需要設(shè)計(jì)專用電路控制整個(gè)配置過(guò)程。

并行方式數(shù)據(jù)加載方法是通過(guò)并行方法讀取通用Flash或E2PROM等存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)FPGA的在線配置的。由于采用并行方式，八位數(shù)據(jù)可同時(shí)被寫入FPGA，數(shù)據(jù)配置速度最快。其配置時(shí)鐘由外部提供，需要設(shè)計(jì)專用電路控制整個(gè)配置過(guò)程。常用的配置控制器可以是各類處理器、微控制器或可編程邏輯器件，目前應(yīng)用較多的是采用單片機(jī)和E2PROM構(gòu)成控制電路。隨著FPGA規(guī)模和性能的不斷提升，其配置文件越來(lái)越大，對(duì)配置速度的要求也越來(lái)越高，所以快速的并行配置方式必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 FPGA并行方式數(shù)據(jù)配置原理

采用并行方式進(jìn)行FPGA數(shù)據(jù)配置時(shí)，其相關(guān)配置引腳可分為專用配置引腳和非專用配置引腳。專用配置引腳包括：配置模式引腳M2、M1、M0；配置時(shí)鐘引腳CCLK；配置邏輯異步復(fù)位引腳；啟動(dòng)控制引腳DONE。這些引腳只在配置時(shí)起作用，配置完成后不能作其它用途。非專用配置引腳包括：數(shù)據(jù)接口D0～D7、片選信號(hào)CS、寫信號(hào)、BUSY、等引腳，這些引腳在配置時(shí)作為信號(hào)通道使用，配置完成后還可作為普通I/O口使用。數(shù)據(jù)配置時(shí)序如圖1所示。當(dāng)為低電平時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部數(shù)據(jù)初始化，初始化完成后，DONE信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)信號(hào)自動(dòng)置為低電平，開(kāi)始清空配置存儲(chǔ)器。配置存儲(chǔ)器清空后，信號(hào)重新被置為高電平，同時(shí)器件對(duì)模式引腳進(jìn)行采樣，確定以并行方式加載配置數(shù)據(jù)。當(dāng)、信號(hào)都為低電平時(shí)，就可以通過(guò)數(shù)據(jù)接口D0～D7進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。圖1清晰地表明了并行配置的全過(guò)程。


3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

并行方式的FPGA數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程邏輯器件(CPLD)、Flash、FPGA等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂破骷?duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有重要影響，低成本的處理器、微控制器工作頻率較低，在對(duì)速度要求較高的場(chǎng)合，會(huì)成為系統(tǒng)速度的瓶頸，不能發(fā)揮并行配置的速度優(yōu)勢(shì)，而且僅作為配置控制器使用又造成資源的浪費(fèi)。采用CPLD作為控制器，F(xiàn)lash作為存儲(chǔ)器件，不僅能滿足速度和功能的要求，而且硬件電路更為簡(jiǎn)潔。

并行數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)的上位機(jī)可以選用PC機(jī)、工控機(jī)等，主要對(duì)CPLD進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能控制，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。CPLD是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其主要功能是進(jìn)行配置控制和地址生成。Flash閃存是配置文件的存儲(chǔ)器件，由專用開(kāi)發(fā)工具生成FPGA配置文件，預(yù)先燒寫進(jìn)Flash中。FPGA是系統(tǒng)中配置的目標(biāo)器件，本系統(tǒng)采用六片Spartan II系列中的Xilinx XC2S200。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 芯片選型

配置電路中CPLD采用XC9500系列中的XC9536芯片，宏單元數(shù)目為36個(gè)，采用快閃存儲(chǔ)技術(shù)，最高工作頻率可達(dá)100MHz。PC44封裝的XC9536包括時(shí)鐘端口在內(nèi)共有34個(gè)通用I/O口，可以滿足系統(tǒng)的要求。配置存儲(chǔ)器采用Winbond公司的W29C040-90，其512K×8bit的容量可以依次存放三個(gè)不同的配置文件，存取周期可達(dá)90ns。Spartan II系列FPGA的配置時(shí)鐘最高可達(dá)66 MHz，但考慮到閃存的存取時(shí)間限制，配置晶振采用8MHz有源晶振。

3.2.2 原理圖

配置電路接口如圖3所示，并行配置的多片F(xiàn)PGA的控制信號(hào)CCLK、、、DONE、和BUSY以及數(shù)據(jù)線DATA(7:0)并行連接，通過(guò)分別設(shè)置片選信號(hào)CS(0:5)實(shí)現(xiàn)各器件的依次配置，直到所有FPGA都配置完成后才進(jìn)入START-UP階段，經(jīng)過(guò)八個(gè)時(shí)鐘周期延遲后一起進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖中Flash的存儲(chǔ)區(qū)被分配成三個(gè)區(qū)域，分別存儲(chǔ)不同的配置文件。其使能信號(hào)和地址信號(hào)由CPLD提供，當(dāng)EN為高時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿對(duì)應(yīng)A(18:0)的八位數(shù)據(jù)就出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線D(7:0)上。CPLD的作用主要是：①實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，接收指令并將工作狀態(tài)反饋到上位機(jī)；②通過(guò)置PROG低電平控制FPGA的初始化過(guò)程；③初始化完成后，控制各FPGA的配置過(guò)程。

在數(shù)據(jù)配置過(guò)程中，相應(yīng)FPGA的和信號(hào)應(yīng)置低電平，若CS信號(hào)已被設(shè)置，則的狀態(tài)就不能改變，否則將引起一個(gè)Abort過(guò)程[1]，使配置過(guò)程中斷。為確保在CCLK上升沿采到正確的數(shù)據(jù)，在CCLK下降沿改變數(shù)據(jù)線D(7:0)上的數(shù)據(jù)。在CCLK的上升沿，若BUSY信號(hào)為低電平，數(shù)據(jù)在此時(shí)鐘周期內(nèi)被接收；若BUSY為高電平，數(shù)據(jù)不能被接收，直到BUSY變低后的第一個(gè)時(shí)鐘周期才能繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。因此，這時(shí)的配置數(shù)據(jù)需要一直保持。

需要注意的是，多片F(xiàn)PGA的START-UP過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，為實(shí)現(xiàn)這一功能，在由Xilinx的開(kāi)發(fā)工具ISE[4]中生成配置文件時(shí)，需要修改相應(yīng)的屬性。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

CPLD的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)中最重要的部分，它所實(shí)現(xiàn)的功能模塊包括接口模塊、控制模塊、地址發(fā)生器模塊。接口模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，接收上位機(jī)的指令并作相應(yīng)處理，同時(shí)將工作狀態(tài)反饋給上位機(jī)；控制模塊提供控制時(shí)序命令，操縱整個(gè)配置過(guò)程；地址發(fā)生器模塊為讀取閃存數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)地址。內(nèi)部各功能模塊采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，控制主程序用mealy狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。控制主程序的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，其中狀態(tài)Start是初始狀態(tài)，Init是初始化過(guò)程，Clear RAM過(guò)程清空配置存儲(chǔ)器，Config是配置過(guò)程，Wait過(guò)程是配置多片F(xiàn)PGA的中間過(guò)程。

控制模塊根據(jù)上位機(jī)的控制指令完成FPGA的初始化、配置等過(guò)程，并將運(yùn)行結(jié)果回傳給上位機(jī)。由VHDL硬件描述語(yǔ)言生成的原理圖符號(hào)如圖5所示，其中，CLK是配置時(shí)鐘，RESET是啟動(dòng)信號(hào)，DONE、是FPGA的反饋信號(hào)，CEND是地址發(fā)生器模塊計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志，EN是計(jì)數(shù)允許信號(hào)；、是控制信號(hào)，TRUE、FALSE是狀態(tài)信號(hào)，反饋給上位機(jī)；CS(0:3)是多片F(xiàn)PGA的片選信號(hào)?？刂颇K的ModelSim仿真結(jié)果如圖6所示。