[組圖]FPGA器件的在線配置方法
引 言
??在當(dāng)今變化的市場環(huán)境中,產(chǎn)品是否便于現(xiàn)場升級,是否便于靈活使用成為產(chǎn)品能否進(jìn)入市場的關(guān)鍵因素。在這種背景下,Altera公司的基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件得到了廣泛的應(yīng)用。雖然這些器件應(yīng)用廣泛,但由于其內(nèi)部采用SRAM工藝,它的配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM中。由于SRAM的易失性,每次系統(tǒng)上電時,必須重新配置數(shù)據(jù),即ICR(In-Circuit Reconfigurability),只有在數(shù)據(jù)配置正確的情況下系統(tǒng)才能正常工作。在線配置方式一般有兩類:一是通過下載電纜由計算機直接對其進(jìn)行配置,二是通過配置芯片對其進(jìn)行配置。通過PC機對FPGA進(jìn)行在系統(tǒng)重配置,雖然在調(diào)試時非常方便,但在應(yīng)用現(xiàn)場是很不現(xiàn)實的。上電后,自動加載配置對FPGA應(yīng)用來說是必需的。Altera公司提供的配置芯片有一次可編程型和可擦除編程型兩種:一次可編程型芯片只能寫入一次,不適合開發(fā)階段反復(fù)調(diào)試、修改及產(chǎn)品的方便升級;可擦除編程型價格昂貴,且容量有限,對容量較大的可編程邏輯器件,需要多片配置芯片組成菊花鏈形進(jìn)行配置,增加系統(tǒng)設(shè)計的難度。
為了降低成本,目前在開發(fā)階段多用可擦除型配置芯片;最終產(chǎn)品用不可擦寫的配置芯片,但一次簡單的代碼更換就需要更換一次器件,這在產(chǎn)品升級時很不實用。至今還沒有低成本的配置芯片出現(xiàn),而我們采用的這套配置方案充分考慮了在FPGA實際使用中,對設(shè)計的保密性和設(shè)計的可升級的要求,不但可以實現(xiàn)代替價格昂貴的不可擦寫和可擦寫配置芯片,而且可以實現(xiàn)多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置。該方案有PC機控制程序、單片機和外部串行存儲器組成,只要通過替換外部串行存儲器,就可實現(xiàn)對不同容量的多種配置芯片的代替。PC機是用來將配置數(shù)據(jù)寫入存儲器的,在寫好數(shù)據(jù)后該配置系統(tǒng)不再需要PC機的控制,在單片機的控制下實現(xiàn)ICR或多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置。多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置即將多個配置文件分區(qū)存儲到外部存儲器中,然后由單片機接收不同的命令,以選擇讀取不同存儲器區(qū)的數(shù)據(jù)下載到FPGA器件,實現(xiàn)在線配置成多種不同的工作模式。
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
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(Joint Test Action Group)等五種方式。這五種方式都能適用于單片機配置。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。我們的配置方案也采用PS配置方式來實現(xiàn)ICR功能,圖1是PS配置方式的時序圖。
被動串行工作過程:當(dāng)nconfig產(chǎn)生下降沿脈沖時啟動配置過程,在dclk上升沿,將數(shù)據(jù)移入目標(biāo)芯片。在配置過程中,系統(tǒng)需要實時監(jiān)測,一旦出現(xiàn)錯誤,nSTATUS將被拉低,系統(tǒng)識別到這個信號后,立即重新啟動配置過程。配置數(shù)據(jù)全部正確地移入目標(biāo)芯片內(nèi)部后,CONF_DONE信號跳變?yōu)楦?,此后,DCLK必須提供幾個周期的時鐘(具體周期數(shù)與DCLK的頻率有關(guān)),確保目標(biāo)芯片被正確初始化,進(jìn)入用戶工作模式。
Altera的MAX+PLUS II或Quartus II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),而對于不同系列的目標(biāo)器件配置數(shù)據(jù)的大小也不同,配置文件的大小一般有.rbf文件決定。.rbf文件即二進(jìn)制文件。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),每一字節(jié)在配置時最低位最先被裝載。微處理器可以讀取這個二進(jìn)制文件,并把它裝載到目標(biāo)器件中。Altera提供的軟件工具不自動生成 .rbf文件,須按照下面的步驟生成:① 在MAX+PLUS II編譯狀態(tài),選擇文件菜單的變換SRAM目標(biāo)文件命令; ② 在變換SRAM目標(biāo)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),然后確定。
2 配置電路結(jié)構(gòu)和原理
2.1 串行通信的電路結(jié)構(gòu)和原理
PC機與單片機的接口如圖2所示。AT89C2051單片機通過串行口直接接收PC機傳送來的串行數(shù)據(jù),然后把接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器。由于PC機的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口,所以,其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C2051在接口時會產(chǎn)生電平不同的問題。為了解決這個問題,在PC機和單片機的串行通信電路中加入了MAX232芯片,以實現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換。這樣PC機和AT89C2051單片機進(jìn)行串行通信時就可以順利進(jìn)行了。除了電路結(jié)構(gòu)之外,要實現(xiàn)PC機和AT89C2051之間的通信,還需要有合適的通信軟件。
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