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FPGA的配置及接口電路
摘要: 與CPLD不同,FPGA是基于門陣列方式為用戶提供可編程資源的,其內部邏輯結構的形成是由配置數據決定的。這些配置數據通過外部控制電路或微處理器加載到FPGA內部的SRAM中,由于SRAM的易失性,每次上電時,都必須對FPGA進行重新配置,在不掉電的情況下,這些邏輯結構將會始終被保持,從而完成用戶編程所要實現的功能。
關鍵詞: FPGA
Abstract:
Key words :

    與CPLD不同,FPGA是基于門陣列方式為用戶提供可編程資源的,其內部邏輯結構的形成是由配置數據決定的。這些配置數據通過外部控制電路或微處理器加載到FPGA內部的SRAM中,由于SRAM的易失性,每次上電時,都必須對FPGA進行重新配置,在不掉電的情況下,這些邏輯結構將會始終被保持,從而完成用戶編程所要實現的功能。

FPGA的配置方式分為主動式和被動式,數據寬度有8位并行方式和串行方式兩種。在主動模式下,FPGA在上電后,自動將配置數據從相應的外存儲器讀入到SRAM中,實現內部結構映射;而在被動模式下,FPGA則作為從屬器件,由相應的控制電路或微處理器提供配置所需的時序,實現配置數據的下載。 1配置引腳

FPGA的配置引腳可分為兩類:專用配置引腳和非專用配置引腳。專用配置引腳只有在配置時起作用,而非專用配置引腳在配置完成后則可以作為普通的I/O口使用。

專用的配置引腳有:配置模式腳M2、M1、M0;配置時鐘CCLK;配置邏輯異步復位PROG,啟動控制DONE及邊界掃描TDI,TDO,TMS,TCK。非專用配置引腳有Din,D0:D7,CS,WRITE,BUSY,INIT。

在不同的配置模式下,配置時鐘CCLK可由FPGA內部產生,也可以由外部控制電路提供。

2 FPGA的配置模式

FPGA共有四種配置模式:從串模式(Slave Serial),主串模式(MasterSerial),從并模式(Slave Farallel/S e 1 e c tMap)以及邊界掃描模式(Boundary-Scan)。具體的配置模式由模式選擇引腳M2、M1、M0決定。表1為不同的配置模式所對應的M2、M1、M0,配置時鐘的方向以及相應的數據位寬。

3配置過程

(1)初始化

系統上電后,如果FPGA滿足以下條件:Bank2 的I/O輸出驅動電壓Vcc0_2大于lv;器件內部的供電電壓Vccint為2.5v,器件便會自動進行初始化。在系統上電的情況下,通過對PROG引腳置低電子,便可以對FPGA進行重新配置。初始化過程完成后,DONE信號將會變低。

(2)清空配置存儲器

在完成初始化過程后,器件會將INIT信號置低電平,同時開始清空配置存儲器。在清空完配置存儲器后,INIT信號將會重新被置為高電平。用戶可以通過將PROG或INIT信號(1NIT為雙向信號)置為低電平,從而達到延長清空配置存儲器的時間,以確保存儲器被清空的目的。

(3)加載配置數據

配置存儲器的清空完成后,器件對配置模式腳M2、N1、M0進行采樣,以確定用何種方式來加載配置數據。

(4)CRC錯誤檢查

器件在加載配置數據的同時,會根據一定的算法產生一個CRC值,這個值將會和配置文件中內置的CRC值進行比較,如果兩者不一致,則說明加載發生錯誤,INIT引腳將會被置低電平,加載過程被中斷。此時若要進行重新配置,只需將PROG置為低電平即可。

(5)START-UP

START-UP階段是FPGA由配置狀態過渡到用戶狀態的過程。在START-UP完成后,FPGA便可實現用戶編程的功能。在START-UP階段中,FPGA會進行一下操作:

①將DONE信號置高電平,若DONE信號沒有置高,則說明數據加載過程失敗;

②在配置過程中,器件的所有I/O引腳均為三態,此時,全局三態信號GTS置低電平,這些I/O腳將會從三態切換到用戶設置的狀態;

③全局復位信號GSR置低電平,所有觸發器進入工作狀態;

④全局寫允許信號GWE置低電平,所有內部RAM有效;

整個過程共有8個時鐘周期C0-C7。在默認的情況下,這些操作都和配置時鐘CCLK同步,在DONE信號置高電子之前,GTS,GSR,GWE都保持高電平。

4 SelectMap并行配置模式

Virtex系列FPGA是Xilinx公司的一款高密度,大容量的現場可編程門陣列,其最大容量可達100萬門,最高工作頻率可達200M,支持多達16種I/O標準,內置了4個BLOCKRAM。這些特性使它在數字圖像處理,通信等領域得到了廣泛的應用。

SelectMap模式是一種8位并行配置模式,它是Virtex系列FPGA最快的一種配置模式,其配置時鐘最高可達66MHZ,每個配置時鐘周期內有8位配置數據下載到FPGA內。在對配置速度要求較高的一些應用場合,一般使用SelectMap模式。

SelectMap端口是一個8位雙向數據端口,通過它實現對Virtex的配置。利用SelectMap對Virtex進行配置時,共有8個數據信號D0-D7和7個控制/狀態信號,分別為:CCLK,PROG,DONE,INIT,CS,WRITE,BUSY。

對Virtex進行并行配置,應用最為廣泛的接口電路便是CPLD+并行EPROM。

由于FPGA管腳內部有上拉電阻,因此,當管腳懸空時,便是高電平。

CPLD所要實現的功能模塊包括:地 址發生器,寫控制寄存器,三態緩沖。 其中,PROG為全局復位,DONE為全局 三態控制,INIT和BUSY用來控制地址 發生器;地址發生器的總線位寬由存儲器的容量決定,若EPROM的容量為1MByte,則地址總線需要20位;在配置階段,CS和WRITE引腳必須置低電平。

對VIRTEX系列的FPGA而言,其配置時鐘最高可達66MHZ,但是,在一般情況下,配置時鐘是達不到66MHZ的,它由PROM的存儲時間(tACC)和FPGA配置數據的建立時間(tSMDCC)決定的:晶振頻率:1/(tACC+TSMDCC)。VIRTEX的TSMDCC為2.0ns,EPROM的存取時間通常為l00ns,在這種情況下,配置時鐘為9.6MHZ,要遠遠低于66MHZ,因此,提高配置速度關鍵是要選用存取速度快的EPROM。

5串行菊花鏈配置方式

串行菊花鏈配置方式是指將配置數據從串行PROM順序下載到主FPGA器件和從FPGA器件中。配置時鐘CCLK由主FPGA器件提供。

主器件將會被首先配置,在主器件配置完成前,其Dout引腳是沒有數據輸出的,從器件處于空閑狀態。在主器件配置完成后,其Din,Dout便形成直通狀態,配置數據通過主器件的Dout進入從器件的Din,對從器件進行配置。

由于菊花鏈配置方式要求只能有一個用于下載的位流文件,因此,需要在軟件開發環境中利用PROM文件生成工具將將主器件和從器件的配置位流文件合成為一個文件。

主器件在配置完成后,并不立即啟動,進入工作狀態。只有菊花鏈中所有FPGA的DONE引腳都被置為高電平時,即所有的配置數據都下載到相應的FPGA中,各個器件才會啟動,其各自的全局三態結束GTS、全局復位GSR、全局寫允許GWE才會置低電平。因此,雖然主從器件的配置是有先后順序的,但基本上它們是同時進入工作狀態的。 6結束語

使用并行EPROM對FPGA進行配置時,速度相對較快,存儲容量較大;而在一些對空間較為敏感,速度要求不太高的應用中,利用串行方法進行配置,可以減小電路板的面積,同時可以簡化系統結構。

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