Xilinx Spartan-3系列FPGA的配置電路

這里要談的是Xilinx的spartan-3系列FPGA的配置電路。當(dāng)然了，其它系列的FPGA配置電路都是大同小異的，讀者可以類推，重點(diǎn)參考官方提供的datasheet，畢竟那才是最權(quán)威的資料。

　　所謂典型，這里要列出一個(gè)市面上最常見(jiàn)的spartan-3的xc3s400的配置電路。所有spartan-3的FPGA配置電路的鏈接方式都是一樣的。Xc3s400是40萬(wàn)門(mén)FPGA，它的Configuration Bitstream雖然只有1.699136Mbit，但是它還是需要2Mbit的配置芯片XCF02S，不能想當(dāng)然的以為我的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，最多用到1Mbit，那么我選XCF01S（1Mbit）就可以了。事實(shí)并非如此，即使你只是用xc3s400做一個(gè)流水燈的設(shè)計(jì)，那么你下載到ROM（XCF02S）里的數(shù)據(jù)也是1.699136Mbit的，所以對(duì)于FPGA的配置ROM的選擇宜大不宜小。

　　配置電路無(wú)非有下面五種：主串，從串，主并，從并，JTAG。前四種是相對(duì)于下載到PROM而言的（串并是相對(duì)于不同配置芯片是串口和時(shí)并口協(xié)議和FPGA通訊區(qū)分的），只有JTAG是相對(duì)于調(diào)試是將配置下載到FPGA的RAM而言的（掉電后丟失）。FPGA和CPLD相比，CPLD是基于ROM型的，就是在數(shù)據(jù)下載到CPLD上，掉電后不丟失。而FPGA則是基于RAM的，如果沒(méi)有外部ROM存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，那么掉電后就丟失數(shù)據(jù)。所以FPGA都需要外接有配置芯片（當(dāng)然現(xiàn)在也有基于FLASH的FPGA出現(xiàn)）。那么我們就來(lái)看一下主串模式下FPGA的配置電路的連接。

　　官方的硬件連接如下：

　　為了增加配置電路的可靠性，通常我們我們?cè)黾右恍┛垢蓴_的設(shè)計(jì)（如增加濾波電容、匹配電阻）：

　　先看PROM芯片的各個(gè)管腳吧。18，19，20腳就不談了，根據(jù)datasheet給供相對(duì)應(yīng)的電平；3腳CLK是接了FPGA的CCLK，數(shù)據(jù)通信的同步就是通過(guò)FPGA的CCLK產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行的；因?yàn)槭褂玫男酒瑫r(shí)串行的配置芯片，所以只有一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)口DO，連接到FPGA的DIN口（上圖沒(méi)有畫(huà)出），和上面的時(shí)鐘信號(hào)協(xié)同工作完成串行數(shù)據(jù)傳輸，每當(dāng)CLK的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，同時(shí)PROM內(nèi)部的地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加；另外還有兩條控制信號(hào)線時(shí)INIT（連接PROM的OE/RESET）和DONE（連接PROM的CE），OE/RESET是為了確保每次重新配置前PROM的地址計(jì)數(shù)器復(fù)位；關(guān)于CE腳，官方資料說(shuō)得也不是很詳細(xì)，以我個(gè)人的理解，CE應(yīng)該是chip enable的縮寫(xiě)，從它和FPGA的DONE腳連接我們不難推斷出，F(xiàn)PGA未配置完成時(shí)DONE=0，那么配置芯片PROM處于片選狀態(tài)，而一旦配置完成DONE=1，那么PROM就不再被選通，同時(shí)datasheet也說(shuō)到這個(gè)管腳可以直接接地，就是一直片選中，但是這樣會(huì)使DATA口有持續(xù)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，同時(shí)導(dǎo)致不必要的電流消耗；CEO腳這里不接，因?yàn)樗诙鄠€(gè)PROM的配置電路中時(shí)作為下一個(gè)PROM的OE端信號(hào)連接用的；CF信號(hào)時(shí)連接FPAG的PROG_B接口的，它的作用就是產(chǎn)生開(kāi)始配置信號(hào)，它連接了一個(gè)上拉電阻，如果PROG_B產(chǎn)生低電平脈沖則PROM會(huì)重新開(kāi)始一次配置，所以我們會(huì)在這條線上接一個(gè)按鍵到地，如果按鍵按下那么就會(huì)使能PROM重新配置FPGA；還有幾個(gè)信號(hào)接口TDI，TCK，TMS，TDO都是PROM和PC連接的信號(hào)，PC通過(guò)這些電路（通常接一片驅(qū)動(dòng)隔離芯片后通過(guò)并口通信，這里不重點(diǎn)介紹了）下載數(shù)據(jù)到PROM中。

　　上面談及PROM的信號(hào)接口時(shí)都附帶的談到了FPGA的配置管腳。這里再做一些歸納性的說(shuō)明。FPGA有7個(gè)專用的配置管腳（CCLK，DIN，PROG_B，DONE，HSWAP_EN，M0，M1，M2），4個(gè)專用的JTAG管腳（TDI，TCK，TMS，TDO），這些管腳是由VCCAUX專門(mén)供電的（該系列FPGA通常接VCCAUX=2.5V）。FPGA的M0，M1，M2腳是進(jìn)行配置模式選擇用的，該電路主串模式下{M0，M1，M2}=000，如果時(shí)JTAG下載模式{M0，M1，M2}=101。上面沒(méi)有提及的HSWAP_EN管腳接地，則是用于設(shè)置當(dāng)FPAG處于配置狀態(tài)下其它閑置管腳為上拉狀態(tài)，而如果該管腳接高電平，則FPAG處于配置狀態(tài)下其它閑置管腳浮空。所以為了減少FPGA配置過(guò)程的干擾，一般把此腳接地。