基于單片機的FPGA并行配置方法

基于單片機的FPGA并行配置方法

摘要：討論了基于SRAM技術(shù)的可編程邏輯器件FPGA的編程方式，并以ALTERA公司FLEX10K系列器件為例，提出了一種利用單片機AT89C52對FPGA進行在線PPA（被動并行異步）配置的實用方法。實踐表明，用單片機對FPGA進行并行配置，具有配置時間短、準確率高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，該方法可以廣泛地應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：單片機PPAFPGA配置在當今變化的市場環(huán)境中，產(chǎn)品是否便于現(xiàn)場升級、是否便于靈活使用，已成為產(chǎn)品能否進入市場的關(guān)鍵因素。在這種背景下，Altera公司的基于SRAMLUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件得到了廣泛的應(yīng)用。這類器件的配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM中。由于SRAM的掉電易失性，系統(tǒng)每次上電時，必須重新配置數(shù)據(jù)，只有在數(shù)據(jù)配置正確的情況下系統(tǒng)才能正常工作。這種器件的優(yōu)點是可在線重新配置ICR（In-CircuitReconfigurability），在線配置方式一般有兩類：一是通過下載電費由計算機直接對其進行配置；二是通過微處理器對其進行配置。前者調(diào)試時非常方便，但在應(yīng)用現(xiàn)場是很不現(xiàn)實的。因此，如果系統(tǒng)重新上電時，系統(tǒng)本身具有自動加載可編程邏輯器件的編程文件，完成對可編程邏輯器件的配置，就可以省去了通過手工由下載電費對器件進行配置的過程。這種自動加載配置對FPGA的某些應(yīng)用來說是必需的，在筆者參與研制的一種干擾系統(tǒng)中，利用單片機AT89C52對FLEX10K系列FPGA中的EPF10K10進行在線并行配置，取得了良好的效果。

1FPGA器件的配置方式和配置文件1．1FPGA器件的配置方式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（JointTestActionGroup）等五種方式。這五種方式都適用于單片機配置。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。相比而方，采用PPA配置的方案卻很少見到。但由于PPA配置模式為并行配置，其配置速度快，且配置時鐘由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生（而PS等配置模式需要外加配置時鐘），故其更有利于在線實現(xiàn)。本文的配置方案便是采用PPA配置方式實現(xiàn)的。

圖1

1．2FPGA器件的配置文件ALTERA的MAX+PLUSII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)。對于不同的目標器件，配置數(shù)據(jù)的大小不同，配置文件的大小一般由.tbf文件（即二進制文件）決定。本實例中，EPF10K10的配置文件.rbf的大小為15k。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)。由于Altera提供的軟件工具不自動生成.rbf文件，故文件需按照下面的步驟生成：①在MAX+PLUSII編譯狀態(tài)下，選擇文件菜單中的變換SRAM目標文件命令；②在變換SRAM目標文件對話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，之后予以確定。2硬件電路設(shè)計AT89C52對EPF10K10并行配置的硬件電路示意圖如圖1所示。經(jīng)MAX+PLUSII編譯生成配置文件（.sof），通過格式轉(zhuǎn)換成為（.rbf）文件并存儲在圖中所示的存儲器中。當使用PPA配置方式時，需要將MSEL1和MSEL0置為高電平。為了不使DCLK出現(xiàn)不確定信號，必須將其經(jīng)過1kΩ電阻上拉到Vcc。在采用PPA配置方式時，nCS和CS兩個片選信號只需用一個。因此，如果采用其中一個作為片選信號，另一個必須直接置為有效位；如果選用CS作為片選信號控制配置，nCS必須接地；如果選用nCS作為片選信號控制配置，CS必須接高電平。本實例中采用后者。NRS為讀選通輸入信號，它為低輸入時，F(xiàn)LEX10K將RDYnBSY信號置于DATA7引腳。當nRS不用時，必須將其置為高。nCE為FLEX10K器件的使能輸入，nCE為低時使能配置過程。當器件是單片配置時，nCE必須始終為低。由于本實例為單片配置，故將nCE直接接地。然后將EPF10K10的nCONFIG、CONF_DONE、nSTATUS、RDYnBSY分別接到AT89C52的P17、P14、P13引腳上。DATA[7..0]接到AT89C52的P07～P00。NWs為寫選通輸入，由低到高跳變時鎖存DATA[7..0]引腳上的字節(jié)數(shù)據(jù)。要注意的是，nSTATUS引腳和CONF_DONE引腳是雙向漏極開路輸出，在作輸出使用時，應(yīng)用經(jīng)過1.0kΩ的電阻上拉到Vcc。

圖2

3軟件設(shè)計3．1配置原理PPA配置方式的下載時序如圖2所示。由圖可以看出PPA模式的工作過程如下：（1）啟動配置在nCONFIG引腳上產(chǎn)生一個低脈沖，等待nSTATUS回應(yīng)一個低脈沖以及CONF_DONE變低。在nCONFIG跳高后4μs，內(nèi)nSTATUS也跳高，表示FPGA可以配置了。（2）配置過程在對FPGA進行配置時，單片機將8位的配置數(shù)據(jù)放在FPGA器件的數(shù)據(jù)端，并且給nWS一個負脈沖，在nWS的上升沿，F(xiàn)PGA器件將該字節(jié)配置數(shù)據(jù)鎖存；然后FPGA器件驅(qū)動RDYnBSY為低，表示它正在處理該字節(jié)信息，配置過程可以通過nCS和CS引腳暫停。當RDYnBSY為低電平時，F(xiàn)LEX10K器件利用其內(nèi)部振蕩器（其頻率一般為10MHz）在其內(nèi)部將每一個字節(jié)的配置數(shù)據(jù)串行化。當FLEX10K器件準備接收下一個配置數(shù)據(jù)時，就使RDnBSY變高。單片機檢測該高電平信號后，送出下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。這一過程一直持續(xù)到全部數(shù)據(jù)配置完成。在配置過程中，系統(tǒng)需要進行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)錯誤，nSATUS將被拉低，系統(tǒng)必須能識別出這個信號，并重新啟動配置過程。

圖3

（3）結(jié)束配置配置數(shù)據(jù)全部正確寫入芯片內(nèi)部后，器件釋放CONF_DONE，由外部將其拉高。如果單片機檢測到這個信號，則表明配置成功；否則，要對其重新配置。3．2配置軟設(shè)計單片機實現(xiàn)配置過程的控制程序流程圖如圖3所示。匯編程程序設(shè)計如下：nCONFIGEQUP1.7nSTATUSEQUP1.5CON_REFRESH:ACALLDELAY2;延時5μs，JBP1.4，END1；判斷CONF_DONE的狀態(tài)，看是否配置成功LJMPCOFIGPESESH_COFIG:LJMPREADY_DATA1;延時子程序，延時約為5μsDELAY2：NOPNOPNOPNOPNOPRET；延時子程序，延時約為15μsDELAY4：MOVR1，#08HDJNZR1，$RETEND1：END本