FPGA實(shí)戰(zhàn)開發(fā)技巧（11）

5.5.4 從串配置模式

在串行模式下，需要微處理器或微控制器等外部主機(jī)通過同步串行接口將配置數(shù)據(jù)串行寫入FPGA芯片，其模式選擇信號(hào)M[2:0]=3’b111。典型的Spartan 3E系列FPGA單片配置電路如圖5.5.11所示。DIN輸入管腳的串行配置數(shù)據(jù)需要在外部時(shí)鐘CCLK 信號(hào)前有足夠的建立時(shí)間。其中單片FPGA 芯片構(gòu)成了完整的JTAG鏈，僅用來測試芯片狀態(tài)，以及支持JTAG 在線調(diào)試模式，與從串配置模式?jīng)]有關(guān)系。外部主機(jī)通過下拉PROG_B啟動(dòng)配置并檢測INIT_B 電平，當(dāng)INIT_B 為高時(shí)，表明FPGA 做好準(zhǔn)備，開始接收數(shù)據(jù)。此時(shí)，主機(jī)開始提供數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)直到FPGA 配置完畢且DONE 管腳為高，或者INIT_B 變低表明發(fā)生配置錯(cuò)誤才停止。整個(gè)過程需要比配置文件大小更多的時(shí)鐘周期，這是由于部分時(shí)鐘用于時(shí)序建立，特別當(dāng)FPGA 被配置為等待DCM鎖存其時(shí)鐘輸入。

圖5-32 FPGA從串配置電路示意圖

此外，從串配置模式也可配置多片F(xiàn)PGA芯片，典型的兩片Spartan 3E系列FPGA的從串配置電路如圖5-33所示。所有芯片的CCLK信號(hào)都有主控設(shè)備提供，靠近主控設(shè)備的FPGA要充當(dāng)橋梁的作用，將配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到第二個(gè)FPGA芯片。可以看到采用從串配置的好處主要在于節(jié)省電路板面積，并使得系統(tǒng)具備更大的靈活性。

圖5-33 多片F(xiàn)PGA從串模式配置電路

5.5.5 JTAG配置模式

1．JTAG配置電路

賽靈思公司的FPGA芯片具有IEEE 1149.1/1532協(xié)議所規(guī)定的JTAG接口，只要FPGA上電，不論模式選擇管腳M[2:0] 的電平，都可用采用該配置模式。但是將模式配置管腳設(shè)置為JTAG模式，即M[2:0]=3’b101時(shí)，F(xiàn)PGA芯片上電后或者PROG_B管腳有低脈沖出現(xiàn)后，只能通過JTAG模式配置。JTAG模式不需要額外的掉電非易失存儲(chǔ)器，因此通過其配置的比特文件在FPGA斷電后即丟失，每次上電后都需要重新配置。由于JTAG模式已更改，配置效率高，是項(xiàng)目研發(fā)階段必不可少的配置模式。典型的Spartan 3E系列芯片的JTAG配置電路如圖5-34所示。

圖5-34 JTAG模式配置電路示意圖

5.5.6 System ACE配置方案

隨著FPGA成為系統(tǒng)級解決方案的核心，大型、復(fù)雜設(shè)備常需要多片大規(guī)模的FPGA。如果使用PROM進(jìn)行配置，需要很大的PCB面積和高昂的成本，因此很多情況下都利用微處理由從模式配置FPGA芯片，但該配置方案容易出現(xiàn)總線競爭且延長了系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。為了解決大規(guī)模FPGA的配置問題，賽靈思公司推出了系統(tǒng)級的System ACE(Advanced ConfiguraTIon Environment) 解決方案。

System ACE可在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，甚至在多個(gè)板上，對賽靈思的所有FPGA進(jìn)行配置，使用Flash存儲(chǔ)卡或微硬盤保存配置數(shù)據(jù)，通過System ACE控制器把數(shù)據(jù)配置到FPGA中。目前，System ACE有System ACE
CF(Compact Flash)、System ACE SC(Soft Controller) 以及System ACE MPM(MuTI-Package Module) 三種。讀者需要注意的是：System ACE SC/MPM 是和System ACE CF 獨(dú)立的解決方案。典型的ACE 接口以及系統(tǒng)組成如圖5-35 所示。

圖5-35 典型的ACE接口以及系統(tǒng)組成示意圖

1．System ACE CF解決方案

System ACE CF的核心是System ACE CF存儲(chǔ)設(shè)備和System ACE控制器芯片。System ACE CF存儲(chǔ)設(shè)備包括賽靈思的ACE Flash卡或其它廠家的Compact Flash卡以及IBM的微硬盤。Compact Flash卡的容量為32MB~4GB，微硬盤的容量為2GB~6GB，至少可配置數(shù)百片F(xiàn)PGA芯片。

System ACE CF控制器提供了存儲(chǔ)單元和FPGA器件之間的接口，PC和存儲(chǔ)器的標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口。控制器芯片默認(rèn)的配置模式也是通過邊界掃描的方式將數(shù)據(jù)配置到FPGA 鏈中，同樣可由邊界掃描鏈的測試和編程接口來輔助進(jìn)行系統(tǒng)原形的調(diào)試，其主要特點(diǎn)有：

- 支持賽靈思所有FPGA芯片的配置；
- 以最小的PC板空間實(shí)現(xiàn)多達(dá)8Gb的配置 ；
- 包括高達(dá)152Mbps的配置速率；
- 利用帶有嵌入式處理器核的FPGA進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)；
- 管理多個(gè)比特流( 全部或部分)，并按需要對其進(jìn)行激活；
- 包含處理器核初始化；
- 軟件存儲(chǔ)加密；
- 可移動(dòng)存儲(chǔ)器件；
- 降低了定制配置系統(tǒng)的成本，支持大多數(shù) CompactFlash卡，包括Microdrive單元；包含內(nèi)置式微處理器接口，可以直接調(diào)整FPGA配置；釋放設(shè)計(jì)資源。

圖5-36 System ACE CF配置電路示意圖

Compact Flash接口是ACE控制器的關(guān)鍵接口，可連接Compact Flash卡、標(biāo)準(zhǔn)的Compact Flash模塊以及IBM微硬盤。Compact Flash可以進(jìn)行拆卸，因此對存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行修改和升級以及更換容量都非常方便。Compact Flash接口由Compact Flash控制器和Compact Flash仲裁器兩部分組成。由System ACE CF配置FPGA的接口電路如圖5-36所示。

2．System ACE SC解決方案

System ACE SC為用戶提供了自主性，用戶可以自由地選擇每一部分的元件，可將其置于電路板的任何位置，且所有的功能在一個(gè)獨(dú)立的FPGA中完成，并不需要整合其他組件。System ACE SC有4個(gè)主要接口：邊界掃描JTAG接口、系統(tǒng)控制接口、Flash存儲(chǔ)器接口以及FPGA 接口，如圖5-37所示。

圖5-37 System ACE SC接口示意圖

其中JTAG接口主要提供邊界掃描測試和對具有JTAG接口的Flash存儲(chǔ)器通信；Flash接口主要和外邊的Flash芯片通信，讀取存儲(chǔ)器內(nèi)的內(nèi)容以及對存儲(chǔ)器進(jìn)行編程；系統(tǒng)控制接口主要提供輸入時(shí)鐘、配置控制信號(hào)和配置狀態(tài)信號(hào)等；FPGA 接口主要用于配置FPGA，可通過從串、從并以及Selec tMAP等配置模式。

System ACE SC和System ACE CF的主要區(qū)別在于，System ACE SC的控制器是一個(gè)軟核邏輯，而不是芯片，需要和設(shè)計(jì)一起下載到FPFA中。其余區(qū)別如表5-4所列。

表5-4 System ACE CF和System ACE SC的區(qū)別

典型的System ACE SC 配置電路如圖5-38 所示。

圖5-38 System ACE SC配置電路示意圖

3．System ACE MPM解決方案

System ACE MPM是一個(gè)整合的組件解決方案，包括FPGA和PROM組成的配置控制組件和一個(gè)Flash存儲(chǔ)組件，并封裝為一個(gè)模塊，通過盡可能少的組件來實(shí)現(xiàn)配置電路。賽靈思公司有16M、32M 以及64M位低密度的System ACE MPM。System ACE MPM 有4 個(gè)主要接口，和System ACE SC 的接口一樣，其特征和功能也與System ACE SC 一樣。二者的區(qū)別在于：System ACE MPM 封裝了整個(gè)配置模塊，而System ACE SC 允許用戶自行配置，其接口電路如圖5-39 所示。

圖5-39 System ACE MPM接口電路示意圖

System ACE MPM是賽靈思公司第一個(gè)支持位流壓縮的配置方案，支持多種配置模式，同時(shí)可多達(dá)8個(gè)FPGA鏈的從串配置模式和多達(dá)4個(gè)FPGA的Select MAP配置模式，最大配置速率為152Mbps，同時(shí)又可最大限度地減小電路板空間和連線。典型的System ACE MPM 配置電路如圖5-40所示?？傊?，System ACE技術(shù)簡化了大型FPGA 系統(tǒng)的配置方案，令開發(fā)人員將精力主要集中在系統(tǒng)性能的提高和開發(fā)時(shí)間的縮短。

圖5-40 System ACE MPM配置電路示意圖