FPGA從并加載解決方案的介紹

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域的一種半定制電路，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要靈活實(shí)現(xiàn)各種接口或者總線(xiàn)的輸出，在設(shè)備端的通信產(chǎn)品中已得到越來(lái)越廣泛的使用。FPGA 是基于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM） 結(jié)構(gòu)的，斷電后程序丟失后的每次上電都需要重新加載程序。且隨著FPGA 規(guī)模的升級(jí)，加載程序的容量也越來(lái)越大，如Xilinx 公司的Spartan - 6 系列中的6SLX150T，其加載容量最大可以達(dá)到4.125 MB。

1 FPGA 常用配置方式

FPGA 的配置數(shù)據(jù)通常存放在系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器件中，上電后控制器讀取存儲(chǔ)器中的bit 文件并加載到FPGA 中，配置方式有JTAG、從并、從串、主從4 種，不同廠家叫法不同，但實(shí)現(xiàn)方式基本都是一樣的。

（1）邊界掃描JTAG 方式。單板調(diào)試階段常用JTAG 模式，該方式需要控制器，F(xiàn)PGA 等芯片JTAG 接口構(gòu)成菊花鏈，且在該模式下，控制器其他功能不能使用。

（2）從串方式。從串加載方式占用資源少，主要是和FPGA 相連的I/O接口較少，但是一個(gè)配置時(shí)鐘只能傳輸一個(gè)bit 數(shù)據(jù)，速度相對(duì)較低。

（3）主從方式。該方式最主要的缺點(diǎn)是配套使用的FLASH 存儲(chǔ)器必須是FPGA 廠家指定的型號(hào)，且這個(gè)FLASH 容量不大，不能和控制器的FLASH 共用，使用這種方式，單板上就會(huì)有兩個(gè)FLASH，增加產(chǎn)品成本，因此該方案使用較少。

（4）從并方式。即文章中探討的FPGA 加載方案。

2 從并加載方式的實(shí)現(xiàn)

以Xilinx 公司Spartan - 6 系列FPGA 為例，與從并加載相關(guān)的管腳如表1 所示。

表1 從并加載管腳名稱(chēng)

由表1 可以看出，從并加載接口占用的管腳資源是比較多的，即使加載數(shù)據(jù)總線(xiàn)使用8 位，也要14 個(gè)管腳，CPU 一般沒(méi)有這么多通用輸入/輸出（GPIO）口，因此從并加載一般和CPLD 配套使用。其加載流程如圖1所示。

圖1 SPARTAN-6 從并加載流程

3 基于CPLD 的FPGA 加載方案

3.1 方案介紹

在 設(shè)備端通信產(chǎn)品中，基于CPLD 的FPGA 從并加載框如圖2 所示，配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH 中，且在加載數(shù)據(jù)之前，CPU 通過(guò)局部總線(xiàn)和雙倍速內(nèi)存（DDR）接口，將配置數(shù)據(jù)從FLASH 中搬移到DDR 顆粒；真正需要加載時(shí)，再通過(guò)DDR2 接口將配置數(shù)據(jù)搬移到CPU 的緩存中，DDR2接口速度很快，其時(shí)鐘頻率可以達(dá)到266 MHz，因此①、②兩步加載時(shí)間可以忽略不計(jì)。

圖2 基于CPLD 的FPGA 從并加載框

之 后CPU 通過(guò)和CPLD 的接口③——8 位的局部總線(xiàn)接口，將配置數(shù)據(jù)逐字節(jié)的寫(xiě)入CPLD 的寄存器中。以MIPS 系列CPU XLS408 為例，XLS408 工作時(shí)鐘頻率為66.7 MHz，寫(xiě)總線(xiàn)周期最快需要10 個(gè)工作時(shí)鐘周期，即6.67 MHz，這一步受局部總線(xiàn)速度限制。

數(shù)據(jù)寫(xiě)入到CPLD 后，再通過(guò)接口④ ——CPLD 與FPGA 之間的從并接口，將數(shù)據(jù)加載到FPGA，從并接口是同步總線(xiàn)，加載時(shí)間受限于總線(xiàn)時(shí)鐘CCLK 頻率。

本方案的優(yōu)點(diǎn)為：① 、② 兩條路徑可以在加載之前處理，且運(yùn)行速度快，不占用加載時(shí)間。加載時(shí)間只受③ 、④ 的限制，而③ 受限于寫(xiě)總線(xiàn)周期間隔，④受限于從并接口的時(shí)鐘。

3.2 程序?qū)崿F(xiàn)

CPLD 從并程序采用verilog 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，該加載模塊接口定義如下：

程序?qū)崿F(xiàn)流如圖3 所示。

圖3 基于CPLD 從并加載FPGA的程序流程

FPGA 加載片選和寫(xiě)信號(hào)產(chǎn)生部分代碼如下：

4 仿真及加載結(jié)果分析

基于modelsim 6.5SE 仿真波形可以看出CPU 每加載1 字節(jié)數(shù)據(jù)需要向CPLD 寫(xiě)1 次加載數(shù)據(jù)，這共需花費(fèi)一個(gè)局部總線(xiàn)周期，局部總線(xiàn)頻率最快為6.67 MHz。因此CPU 加載4.125 MB 數(shù)據(jù)到CPLD 共需時(shí)間為：

CPLD 需要1 個(gè)CCLK 周期寫(xiě)1 字節(jié)數(shù)據(jù)到 FPGA，CCLK 則是利用CPU局部總線(xiàn)的寫(xiě)信號(hào)產(chǎn)生，可以實(shí)現(xiàn)CCLK 和數(shù)據(jù)的同步，因此CCLK 時(shí)鐘速率為6.67 MHz，因此加載4.125 MB數(shù)據(jù)到FPGA，共需時(shí)間為：

FPGA 上電需要1 ms，因此當(dāng)FPGA 使用SPARTAN-6 系列最高端的6SLX150T 時(shí)，采用基于CPLD 的從并加載方式，共需要的加載時(shí)間為1.221 s，滿(mǎn)足通信產(chǎn)品FPGA 加載時(shí)間小于2 s 的要求。而如果采用從串等加載方式，使用ARM7 處理器作為控制器，對(duì)于CycloneII 系列中的EP2C35，配置文件大小1.16 MB，加載時(shí)間需要1.30 min；采用基于CPLD的從串加載方式，加載同樣4.125 MB的FPGA 數(shù)據(jù)，CPLD 加載時(shí)鐘33MHz，則加載時(shí)間需要3.8 s，F(xiàn)PGA加載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)影響系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。

表2 是常用加載方式加載6SLX150T 型號(hào)FPGA 芯片數(shù)據(jù)所需時(shí)間比較。

表2 FPGA 加載時(shí)間對(duì)比

從上述分析可以得出結(jié)論，如果提高CPU 的局部總線(xiàn)寫(xiě)速度，加載FPGA 的時(shí)間就會(huì)更快。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用基于CPLD 的FPGA 從并加載方案，相對(duì)于其它幾種加載方式，雖然加載管腳增多，但加載時(shí)間大大縮短，并且如果提高CPU 局部總線(xiàn)的寫(xiě)速度，加載速度有進(jìn)一步提高空間，滿(mǎn)足通信系統(tǒng)快速啟動(dòng)的要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。