利用CPLD實(shí)現(xiàn)FPGA的快速加載

摘要：基于SRAM的FPGA由于其可編程、可升級(jí)的特性，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。由于其易失性，每次上電后都需要重新對(duì)FPGA進(jìn)行加載。隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，FPGA配置文件越來(lái)越大，加載時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)同。為了提高FPGA的加載效率，在此提出一種通過(guò)CPLD進(jìn)行FPGA串行加載的方案。通過(guò)驗(yàn)證，該方法既能能提高FPGA加載效率，又能節(jié)省CPU和FPGA的GIPO管腳，降低系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，非常適用于現(xiàn)代復(fù)雜通信系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：CPLD；CPU；FPGA加載；PS加載

0 引言
現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展日新月異，通信系統(tǒng)必須具備良好的可升級(jí)能力以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)由于同時(shí)具備硬件電路高速運(yùn)行和軟件可編程的雙重優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域中。FPGA在上電后，需要加載配置文件對(duì)內(nèi)部各功能模塊進(jìn)行初始化，而配置文件加載的效率直接影響系統(tǒng)的初始化時(shí)間。因此如何設(shè)計(jì)一種高效的FPGA加載方案，是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
文獻(xiàn)的加載方案采用外部專(zhuān)用的E2PROM器件存儲(chǔ)配置文件，并在上電后由FPGA控制整個(gè)加載過(guò)程。這種主動(dòng)加載的配置方式需要專(zhuān)門(mén)的外部存儲(chǔ)芯片，使用面窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活的在線升級(jí)，并且由于EEPROM的容量有限，只能用于加載一些小的FPGA邏輯文件。文獻(xiàn)提出采用CPU外掛FLASH存儲(chǔ)配置文件，采用通用輸入／輸出(General Purpose Input／Output，CPU GPIO)管脾模擬被動(dòng)串行(Passive Serial，PS)加載時(shí)序進(jìn)行配置文件加載的方案，然而這種方案需要占用CPU寶貴的GPIO資源，雖然采用PS方式加載可以節(jié)省一定的管腳，但是由于CPU沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的PS加載控制器，必須通過(guò)軟件控制GPIO來(lái)模擬PS加載的時(shí)序，對(duì)于軟件最普遍使用的C語(yǔ)言，每一步操作都需要數(shù)條指令，耗費(fèi)時(shí)間。對(duì)于有多個(gè)FPGA，要求遠(yuǎn)程升級(jí)，且對(duì)配置速度要求高的大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的加載時(shí)間是無(wú)法忍受的。
本文介紹了一種基于CPLD加載FPGA的方案：FPGA配置文件被存放在CPU外掛的FLASH存儲(chǔ)器中，加載時(shí)由CPU將配置文件讀出，再通過(guò)連接CPLD的Local Bus總線將數(shù)據(jù)以并行方式送給CPLD，CPLD利用速度較高的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)串行送入FPGA。該方案既可以節(jié)省CPU和FPGA的管腳，又可以實(shí)現(xiàn)FPGA在線快速加載。

1 FPGA及其加載方式介紹
FPGA是一種可編程器件，用戶可通過(guò)軟件手段配置FPGA器件內(nèi)部的連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成所需的數(shù)字電路功能。目前市場(chǎng)上有三種基本的FPGA編程技術(shù)：SRAM，反熔絲和FLASH。其中基于SRAM的FPGA由于其速度快且具有可重編程能力，是目前應(yīng)用最廣泛的一種。但是這種FPGA是易失性的，每次掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)白片，內(nèi)部邏輯消失，上電時(shí)需要重新為FPGA加載配置數(shù)據(jù)。
大部分FPGA的加載方式都可以分為主動(dòng)加載和被動(dòng)加載。主動(dòng)加載和被動(dòng)加載最大的區(qū)別在于加載過(guò)程是由誰(shuí)來(lái)控制，主動(dòng)加載的加載過(guò)程是由FPGA自身控制，F(xiàn)PGA主動(dòng)從外部存儲(chǔ)器中讀取邏輯信息來(lái)為自己進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生加載時(shí)鐘。
被動(dòng)加載的整個(gè)加載過(guò)程都是由外部控制器控制，F(xiàn)PGA接收配置時(shí)鐘，配置命令和配置數(shù)據(jù)，給出配置狀態(tài)信號(hào)以及配置完成指示信號(hào)等。
為了選擇一種合適的加載方式，這里將Altera公司FPGA產(chǎn)品的各種加載方式的對(duì)比于如圖1所示。需要注意的是，配置速度的快慢只是相對(duì)的，其他一些因素如閃存的讀取時(shí)間，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率等也會(huì)影響配置的時(shí)間。

從圖中可以看到，并行加載方式雖然速度較快但是耗費(fèi)較多的管腳；而串行加載則可以節(jié)省管腳、降低成本。在幾種串行加載方式中，PS加載方式是大部分器件都支持的方式，因此本文后續(xù)的設(shè)計(jì)方案選擇PS加載方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2 加載方案的設(shè)計(jì)
整個(gè)加載方案主要由硬件電路，CPLD邏輯，軟件代碼幾部分組成。
2．1 硬件設(shè)計(jì)
在第1節(jié)的討論中選擇了PS加載方式。PS加載一般要用到5根信號(hào)線，分別是nconfig，dclk，data，nstatus和conf_done，它們的含義如圖2所示。

在傳統(tǒng)的PS加載方式中，CPU與FPGA的連線如圖3所示。