基于U盤和單片機的FPGA配置

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmablc Gate Array)是基于門陣列方式為用戶提供可編程資源的，其內(nèi)部邏輯結構的形成是由配置數(shù)據(jù)決定的。采用在線可重配置方式ICR(In-Circuit Reconfigurability)將這些配置數(shù)據(jù)配置到FPGA內(nèi)部SRAM中，但由于SRAM的易失性，每次上電時，都必須對FPGA重新進行配置，從而實現(xiàn)用戶編程所要實現(xiàn)的功能。

　　以前的設計大多是將配置數(shù)據(jù)存放在FPGA組成的系統(tǒng)上，本文提出將配置數(shù)據(jù)存放在使用者自己攜帶的外部存儲器(如可加密的U盤)中。使用前將U盤接入FPGA組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)上電時由單片機控制讀出配置數(shù)據(jù)，再傳送給FPGA進行配置。這樣做優(yōu)點很多：修改、升級簡便，現(xiàn)場保密性強，安全性高；可多人分時使用同一硬件系統(tǒng)，同一硬件系統(tǒng)插入不同的配置U盤就可以實現(xiàn)不同的功能，可以方便地存儲大容量配置數(shù)據(jù)或多個配置數(shù)據(jù)文件等；同時，符合計算機和嵌入式系統(tǒng)的熱點USB OT

　　1 FPGA的配置方式和配置數(shù)據(jù)文件

　　1.1 FPGA的配置方式

　　以Altera公司的FPGA器件為例，有2類配置下載方式：主動配置和被動配置。主動配置方式是由FPGA器件主動引導配置操作，從外圍專用配置芯片(如EPC4)中獲得配置數(shù)據(jù)的過程；被動配置方式則是由外部計算機或控制器控制配置過程。

　　以Mercury、APEX 20K(2．5V)、ACEX 1K和FLEX10K系列FPGA為例，配置方式有：被動串行PS(PasiveSerial)、被動并行同步PPS(Passive Parallel Synchronous)、被動并行異步PPA(Passive Parallel Asyn-chronous)和JTAG(Jont Test Action Group)等。具體配置方式由方式選擇引腳MSEL1和MSELO的邏輯電平組合決定。

　　基于SRAM LUT(查找表)結構的FPGA采用在線可重配置方式ICR。以配置方式PS為例，可通過下載電纜南計算機直接對FPGA器件進行配置。這種方法在設計調(diào)試時非常方便，但在現(xiàn)場應用巾是很不現(xiàn)實的。上電后自動加載對FPGA器件進行配置是實際必須的，有許多方法，例如專用配置芯片(如EPC4)配置、單片機控制配置、MAX3000A控制F1ash存儲器配置、PCI總線配置、Internet配置、PSD(Programmable System Devices可編程器件)配置等。

　　1.2 FPGA的配置數(shù)據(jù)文件

　　Altera公司的Quartus II開發(fā)工具可以生成多種配置或編譯文件，用于不同配置方式。對于不同的目標器件，編譯后開發(fā)工具會根據(jù)指定的FPGA器件自動生成“．sof(SRAM Object File)”和“．pof(Programmer ObjectFile)”配置文件?！?sof”配置文件是由下載電纜將其下載到FPGA中的；“．pof”配置文件是存放在配置器件里的。用單片機配置時，要將“．sof”文件轉換成“．rbf(Raw BinaryFile)”文件，可打開QuartusII的File菜單，單擊ConvertProgramming Fiks進行轉換。配置文件的大小隨FPGA器件的不同而不同，例如EPFlOKlO的配置文件“．sof”和“．rbf”的大小為15KB。

　　2 單片機配置FPGA設計

　　2．1 單片機配置FPGA的優(yōu)點

　　在實際應用中，單片機控制配置FPGA，對于保密和升級，以及實現(xiàn)多任務電路結構重配置和降低配置成本，都是很好的選擇。配置方式PS、PPS和PPA均可以用單片機控制配置。

　　由單片機和外部存儲器組成配置FPGA電路，將配置數(shù)據(jù)寫入外部存儲器，系統(tǒng)上電時再由單片機控制對FPGA進行配置。也可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，選擇讀取不同存儲區(qū)的數(shù)據(jù)配置到FPGA器件，從而實現(xiàn)多任務電路結構重配置，在線配置成多種不同的電路功能；代替了價格昂貴的不可擦寫和可擦寫配置芯片，降低了成本。

    2.2 配置數(shù)據(jù)存儲在U盤

　　在銀行等保密行業(yè)，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有權限的使用者才能使用，或由不同的用戶分時使用同一臺FPGA組成的系統(tǒng)。最好是不要將配置數(shù)據(jù)存放在FPGA組成的系統(tǒng)上，而是將配置數(shù)據(jù)存放在使用者自己攜帶的外部存儲器(如U盤)中(對U盤的讀／寫還可以加密)；使用前將存放配置數(shù)據(jù)的外部存儲器接入FPGA組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)上電時冉由單片機控制對FPGA進行配置就可以了。

　　1994年11月，以Intel為首的7家公司推出了通用串行總線USB(Universal serial Bus)協(xié)議規(guī)范的第一個草案。USB協(xié)議從1．1過渡到2．0，作為其最重要指標的設備傳輸速度也從USBl．1標準的低速1．5 Mbps和全速12Mbps提高到USB2．0標準的高速480Mbps。目前，USB設備已經(jīng)非常普遍，USB接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安裝方便和價格低廉等優(yōu)點得到了廣泛應用。USB OTG已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)領域中的熱點，使得USB能應用在沒有PC的領域中，實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)交換和存儲。本文提出將配置數(shù)據(jù)存儲在U盤中，通過單片機控制讀／寫，符合USB OTG發(fā)展趨勢，將在嵌入式和FPGA領域得到廣泛應用。

　　2.3 單片機讀取存儲在u盤中的配置數(shù)據(jù)

　　通常USB設備終端必須與計算機連接。如果沒有PC，則需要通過USB總線的通用接口芯片(當然也可以利用帶USB接口的單片機)控制U盤的讀／寫。本設計采用單片機AT89S52控制USB總線的通用接口芯片CH375來讀取存儲在U盤的配置數(shù)據(jù)。

　　CH375是一個USB總線的通用接口芯片，內(nèi)部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和通用的固件程序等；支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE／SLAVE沒備方式，可以方便地掛接到單片機／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀／寫常用的USB存儲設備(包括USB硬盤、USB閃存盤和U盤)。

　　硬件設計：CH375工作于并口方式，與普通的MCS-5l單片機的連接如圖1所示。CH375的TXD引腳通過l kΩ左右的下拉電阻接地或者直接接地，從而使CH375工作于并口方式。

　　軟件設計：①進入USB主機模式，要讀/寫U盤，必須先設置CH375使其工作于USB主機方式。②將U盤當作存儲器進行讀／寫，方法與讀／寫閃存差不多，操作簡單且速度快。單片機讀／寫U盤文件程序分層如圖2所示。

　　2．4 用單片機配置FPGA的過程

　　FPGA器件上電以后，開始配置過程的復位、配置和初始化3個階段，然后進入用戶狀態(tài)。以配置FLEX10K10為例，圖3為PS模式下使用單片機配置FPGA的時序圖。

　　配置過程如下：①MCU的P1．7引腳產(chǎn)生一個tCFG≥μs的低電平給FPGA的nCONFIG引腳使FPGA復位，200 ns后nSTATUS和CONF_DONE同時跟隨變?yōu)榈碗娖剑籉PGA的I／O端口為高阻狀態(tài)，RAM被清除。②MCU的P1．7引腳產(chǎn)生上跳變時開始配置，F(xiàn)PGA退出復位狀態(tài)，4μs后nSTATUS被釋放并被上拉電阻拉高，F(xiàn)PGA準備接收數(shù)據(jù)進入配置階段。設置MCU的串口工作方式為O，單片機檢測到nSTATUS由低跳到高后，讀取配置數(shù)據(jù)(從U盤讀取或上電時先將配置數(shù)據(jù)從U盤讀到SRAM62255)由RXD送到FPGA的DATA0(注意低位LSB先送出)；MCU的TXD接收FPGA的DCLK以提供時鐘信號，配置數(shù)據(jù)足在DCLK上升沿被移位入FPGA的，全部配置數(shù)據(jù)移入FPGA直到CONF_DONE變?yōu)楦唠娖?，配置階段結束。若CONF_DONE沒有變?yōu)楦唠娖剑瑒t需要重新配置。③初始化階段，持續(xù)O．6～2μs。不同的FPGA器件，持續(xù)時間不等。A1tera公司的Quartus II開發(fā)工具生成配置文件時，對于不同的目標器件和配置方式已經(jīng)添加了相應的空DCLK。軟件設計使微處理器提供配置所需的時序和串行傳送配置數(shù)據(jù)，以及對配置進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)配置過程。軟件設計流程如圖4所示。(程序見本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn——編者注)

　　3 結論

　　FPGA器件的配置技術猶如集成電路制造中的流片，是非常重要的一個環(huán)節(jié)。用單片機配置FPGA器件與用專用器件相比，具有成本低、保密性好、可升級、可實現(xiàn)多任務電路結構重構(符合軟件無線電思想)等特點，本設計具有創(chuàng)新性，硬件設計簡單可靠，且成本低，易于實現(xiàn)，是確保FPGA安全性和保密性的一種方法，在金融等關系到國家利益的場合具有重大實用價值。