最常用的FPGA配置模式

配置電路

FPGA配置方式靈活多樣，根據(jù)芯片是否能夠自己主動加載配置數(shù)據(jù)分為主模式、從模式以及JTAG模式。典型的主模式都是加載片外非易失( 斷電不丟數(shù)據(jù)) 性存儲器中的配置比特流，配置所需的時鐘信號( 稱為CCLK) 由FPGA內部產(chǎn)生，且FPGA控制整個配置過程。從模式需要外部的主智能終端( 如處理器、微控制器或者DSP等) 將數(shù)據(jù)下載到FPGA中，其最大的優(yōu)點就是FPGA 的配置數(shù)據(jù)可以放在系統(tǒng)的任何存儲部位，包括：Flash、硬盤、網(wǎng)絡，甚至在其余處理器的運行代碼中。JTAG 模式為調試模式，可將PC 中的比特文件流下載到FPGA中，斷電即丟失。此外，目前賽靈思還有基于Internet 的、成熟的可重構邏輯技術System ACE解決方案。

(1) 主模式

在主模式下，F(xiàn)PGA上電后，自動將配置數(shù)據(jù)從相應的外存儲器讀入到SRAM中，實現(xiàn)內部結構映射;主模式根據(jù)比特流的位寬又可以分為：串行模式( 單比特流) 和并行模式( 字節(jié)寬度比特流) 兩大類。如：主串行模式、主SPI Flash 串行模式、內部主SPI Flash串行模式、主BPI 并行模式以及主并行模式，如圖5-19所示。

(2) 從模式

在從模式下，F(xiàn)PGA 作為從屬器件，由相應的控制電路或微處理器提供配置所需的時序，實現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的下載。從模式也根據(jù)比特流的位寬不同分為串、并模式兩類，具體包括：從串行模式、JTAG模式和從并行模式三大類，其概要說明如圖5-20所示。

(3)JTAG模式

在JTAG模式中，PC和FPGA通信的時鐘為JTAG接口的TCLK，數(shù)據(jù)直接從TDI進入FPGA，完成相應功能的配置。

圖5-19 常用主模式下載方式示意圖

圖5-20 常用的從模式下載方式示意圖

目前，主流的FPGA芯片都支持各類常用的主、從配置模式以及JTAG，以減少配置電路失配性對整體系統(tǒng)的影響。在主配置模式中，F(xiàn)PGA自己產(chǎn)生時鐘，并從外部存儲器中加載配置數(shù)據(jù)，其位寬可以為單比特或者字節(jié);在從模式中，外部的處理器通過同步串行接口，按照比特或字節(jié)寬度將配置數(shù)據(jù)送入FPGA芯片。此外，多片F(xiàn)PGA可以通過JTAG菊花鏈的形式共享同一塊外部存儲器，同樣一片/ 多片F(xiàn)PGA也可以從多片外部存儲器中讀取配置數(shù)據(jù)以及用戶自定義數(shù)據(jù)。

Xilinx FPGA的常用配置模式有5 類：主串模式、從串模式、Select MAP模式、Desktop配置和直接SPI配置。在從串配置中，F(xiàn)PGA接收來自于外部PROM或其它器件的配置比特數(shù)據(jù)，在FPGA產(chǎn)生的時鐘CCLK的作用下完成配置，多個FPGA可以形成菊花鏈，從同一配置源中獲取數(shù)據(jù)。Select MAP模式中配置數(shù)據(jù)是并行的，是速度最快的配置模式。SPI配置主要在具有SPI接口的FLASH電路中使用。下面以Spartan-3E系列芯片為例，給出各種模式的配置電路。

5.5.2 主串模式——最常用的FPGA配置模式

1.配置單片F(xiàn)PGA

在主串模式下，由FPGA的CCLK管腳給PROM提供工作時鐘，相應的PROM在CCLK的上升沿將數(shù)據(jù)從D0管腳送到FPGA的DIN管腳。無論PROM芯片類型( 即使其支持并行配置)，都只利用其串行配置功能。Spartan3E系列FPGA的單片主串配置電路如圖5-21所示。主串模式是賽靈思公司各種配置方式中最簡單，也最常用的方式，基本所有的可編程芯片都支持主串模式。

圖5-21 Spartan-3E主串模式配置電路

2.配置電路的關鍵點

主串配置電路最關鍵的3點就是JTAG鏈的完整性、電源電壓的設置以及CCLK信號的考慮。只要這3步任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都不能正確配置PROM芯片。

(1)JTAG鏈的完整性

FPGA和PROM芯片都有自身的JTAG接口電路，所謂的JTAG鏈完整性指的是將JTAG連接器、FPGA、PROM的TMS、TCK連在一起，保證從JTAG連接器TDI到其TDO之間，形成JTAG連接器的“TDI →(TDI~TDO) → (TDI~TDO) → JTAG連接器TDO”的閉合回路，其中(TDI~TDO) 為FPGA或者PROM芯片自身的一對輸入、輸出管腳。圖5-12中配置電路的JTAG鏈從連接器的TDI到FPGA的TDI，再從FPGA的TDO到PROM的TDI，最后從PROM的TDO到連接器的TDO，形成了完整的JTAG鏈，F(xiàn)PGA芯片被稱為鏈首芯片。也可以根據(jù)需要調換FPGA和PROM的位置，使PROM成為鏈首芯片。

(2) 電源適配性

如圖5-22所示，由于FPGA和PROM要完成數(shù)據(jù)通信，二者的接口電平必須一致，即FPGA相應分組的管腳電壓Vcco_2必須和PROM Vcco的輸入電壓大小一致，且理想值為2.5V，這是由于FPGA的PROG_B和DONE管腳由2.5V的Vccaux供電。此外，由于JTAG連接器的電壓也由2.5V的Vccaux提供，因此PROM的VCCJ也必須為2.5V。因此，如果接口電壓和參考電壓不同，在配置階段需要將相應分組的管腳電壓和參考電壓設置為一致;在配置完成后，再將其切換到用戶所需的工作電壓。當然，F(xiàn)PGA和PROM也可以自適應3.3V的I/O電平以及JTAG電平，但需要進行一定的改動，即添加幾個外部限流電阻，如圖5-22所示。在主串模式下，XCFxxS系列PROM的核電壓必須為3.3V，XCFxxP系列PROM的核電壓必須為1.8V。

圖5-22 3.3V的JTAG配置電路示意圖

圖5-22中的RSER、RPAR這兩個電阻要特別注意。首先，RSER= 68Ω將流入每個輸入的電流限制到9.5mA ;其次，N= 3三個輸入的二極管導通，

RPAR = VCCAUX min/ NIIN = 2.375V/(3*9.5mA)

=83 Ω或82 Ω ( 與標準值誤差小于5%的電阻 )

(3)CCLK的信號完整性

CCLK信號是JTAG配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號，其信號完整性非常關鍵。FPGA 配置電路剛開始以最低時鐘工作，如果沒有特別指定，將逐漸提高頻率。CCLK信號是由FPGA內部產(chǎn)生的，對于不同的芯片和電平，其最大值如表F-1所示。

表5-1 不同PROM芯片的最大配置時鐘頻率

3.配置多片F(xiàn)PGA

多片F(xiàn)PGA的配置電路和單片的類似，但是多片F(xiàn)PGA之間有主(Master)、從(Slave) 之分，且需要選擇不同的配置模式。兩片Spartan 3E系列FPGA的典型配置電路如圖5-23所示，兩片F(xiàn)PGA存在主、從地位之分。

圖5-23 主從模式下兩片F(xiàn)PGA的配置電路

5.5.3 SPI串行Flash配置模式

1.SPI串行配置介紹

串行Flash的特點是占用管腳比較少，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存貯非常合適，一般都是采用串行外設接口(SPI 總線接口)。Flash 存貯器與EEPROM根本不同的特征就是EEPROM可以按字節(jié)進行數(shù)據(jù)的改寫，而Flash只能先擦除一個區(qū)間，然后改寫其內容。一般情況下，這個擦除區(qū)間叫做扇區(qū)(Sector)，也有部分廠家引入了頁面(Page) 的概念。選擇Flash產(chǎn)品時，最小擦除區(qū)間是比較重要的指標。在寫入Flash時，如果寫入的數(shù)據(jù)不能正好是一個最小擦除區(qū)間的尺寸，就需要把整個區(qū)間的數(shù)據(jù)全部保存另外一個存貯空間，擦除這個空間，然后才能重新對這個區(qū)間改寫。大多數(shù)Flash工藝更容易實現(xiàn)較大的擦除區(qū)間，因此較小擦除區(qū)間的Flash 其價格一般會稍貴一些。此外，SPI是標準的4線同步串行雙向總線，提供控制器和外設之間的串行通信數(shù)據(jù)鏈路，廣泛應用于嵌入式設備中。

賽靈思公司的新款FPGA都支持SPI接口。SPI總線通過4根信號線來完成主、從之間的通信，典型的SPI系統(tǒng)中常包含一個主設備以及至少一個從設備，在FPGA應用場合中，F(xiàn)PGA芯片為主設備，SPI 串行FLASH為從設備。4個SPI接口信號的名稱和功能如表5-2所示。

表5-2 SPI接口信號列表

一個主芯片和一個從芯片的通信接口如圖5-24所示。FPGA通過SCLK控制雙方通信的時序，在SS_n為低時，F(xiàn)PGA通過MOSI 信號線將數(shù)據(jù)傳送到FLASH，在同一個時鐘周期中，F(xiàn)LASH通過SOMI將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA芯片。無論主、從設備，數(shù)據(jù)都是在時鐘電平跳轉時輸出，并在下一個相反的電平跳轉沿，送入另外一個芯片。

圖5-24 SPI接口連接示意圖

其中SCLK信號支持不同的速率，一般常采用20MHz。通過SPI 接口中的CPOL和CPHA這兩個比特定義了4種通信時序。其中，CPOL信號定義了SCLK的空閑狀態(tài)，當CPOL為低時，SCLK的低電平為空閑狀態(tài)，否則其空閑狀態(tài)為高電平;CPHA定義了數(shù)據(jù)有效的上升沿位置，當其為低時，數(shù)據(jù)在第1 個電平跳轉沿有效，否則數(shù)據(jù)在第2個電平跳轉沿有效。其相應的時序邏輯如圖5-25所示。

圖5-27 CPHA為低時SPI的總線時序示意圖

圖5-28 CPHA為高時SPI的總線時序示意圖

可以通過增加片選信號SS_n的位寬來支持多個從設備，SS_n的位寬等于從設備的個數(shù)。對于某時刻被選中的從設備和主設備而言，其讀寫時序邏輯和圖5-29一樣。

圖5-29 多個從芯片的連接電路圖

SPI串行FLASH作為一種新興的高性能非易失性存儲器，其有效讀寫次數(shù)高達百萬次，不僅引腳數(shù)量少、封裝小、容量大，可以節(jié)約電路板空間，還能夠降低功耗和噪聲。從功能上看，可以用于代碼存儲以及大容量的數(shù)據(jù)和語音存儲，對于以讀為主，僅有少量擦寫和寫入時間的應用來說，支持分區(qū)( 多頁) 擦除和頁寫入的串行存儲是最佳方案。

2.SPI串行FLASH配置電路

SPI串行配置模式常用于已采用了SPI串行FLASH PROM的系統(tǒng)，在上電時將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中，這一過程只需向SPI串行發(fā)送一個4字節(jié)的指令，其后串行FLASH中的數(shù)據(jù)就像PROM配置方式一樣連續(xù)加載到FPGA中。一旦配置完成，SPI中的額外存儲空間還能用于其它應用目的。

1)SPI 配置電路

雖然SPI接口是標準的4線接口，但不同的SPI FLASH PROM芯片采用了不同的指令協(xié)議。FPGA芯片通過變量選擇信號VS[2:0] 來定義FPGA和SPI FLASH的通信方式、FPGA的讀指令以及在有效接收數(shù)據(jù)前插入的冗余比特數(shù)。常用SPI FLASH與FPGA的有效操作配置如表5-3所示，其余的VS[2:0] 配置留有它用。

表5-3 賽靈思芯片所支持的SPI FLASH存儲器以及配置列表

從整體上看來，控制SPI串行閃存比較容易，只需要使用簡單的指令就能完成讀取、擦除、編程、寫使能/禁止以及其它功能。所有的指令都是通過4 個SPI 引腳串行移位輸入的。

圖5-30 支持快讀寫的串行FLASH配置電路示意圖

不同型號的FPGA芯片具有數(shù)目不同的從設備片選信號，因此所掛的串行芯片數(shù)目也就不一樣。例如：Spartan-3E系列FPGA芯片只有1位SPI從設備片選信號，因此只能外掛一片SPI串行FLASH芯片。在SPI串行FLASH配置模式下，M[2:0]=3’b001。FPGA 上電后，通過外部SPI 串行FLASH PROM完成配置，配置時鐘信號由FPGA芯片提供時鐘信號，支持兩類業(yè)界常用的FLASH。

圖5-30給出了Spartan3E系列FPGA支持0X0B快速讀寫指令的STMicro 25系列PROM的典型配置電路。其中的Flash芯片需要Flash編程器來加載配置數(shù)據(jù);單片的FPGA芯片構成了完整的JTAG鏈，僅用來測試芯片狀態(tài)，以及支持JTAG在線調試模式，與SPI配置模式?jīng)]有關系。

從中可以看出，SPI Flash容量大，適合于大規(guī)模設計場合。但由于SPI配置需要專門的Flash編程器，且操作起來比較麻煩，不適合在產(chǎn)品研發(fā)階段調試FPGA芯片，因此一般還會添加JTAG鏈專門用于在線調試。

圖5-31 Atmel SPI串行FLASH配置電路示意圖

圖5-31給出了Spartan3E系列FPGA支持SPI協(xié)議的Atmel公司“C”、“D”系列串行Flash芯片的典型配置電路。這兩個系列的FLASH芯片可以工作在很低溫度，具有短的時鐘建立時間。同樣，單片的FPGA芯片構成了完整的JTAG鏈，僅用來測試芯片狀態(tài)，以及支持JTAG在線調試模式，與SPI 配置模式?jīng)]有關系。

表5-3給出了SPI配置接口的連線說明，每個SPI Flash PROM采用的名字略有不同，SPI Flash PROM的寫保護信號和保持控制信號在FPGA配置階段是不用的。其中HOLD管腳在配置階段必須為高，為了編程Flash存儲器，寫保護信號必須為高。

5.5.4 從串配置模式

在串行模式下，需要微處理器或微控制器等外部主機通過同步串行接口將配置數(shù)據(jù)串行寫入FPGA芯片，其模式選擇信號M[2:0]=3’b111。典型的Spartan 3E系列FPGA單片配置電路如圖5.5.11所示。DIN輸入管腳的串行配置數(shù)據(jù)需要在外部時鐘CCLK 信號前有足夠的建立時間。其中單片F(xiàn)PGA 芯片構成了完整的JTAG鏈，僅用來測試芯片狀態(tài)，以及支持JTAG 在線調試模式，與從串配置模式?jīng)]有關系。外部主機通過下拉PROG_B啟動配置并檢測INIT_B 電平，當INIT_B 為高時，表明FPGA 做好準備，開始接收數(shù)據(jù)。此時，主機開始提供數(shù)據(jù)和時鐘信號直到FPGA 配置完畢且DONE 管腳為高，或者INIT_B 變低表明發(fā)生配置錯誤才停止。整個過程需要比配置文件大小更多的時鐘周期，這是由于部分時鐘用于時序建立，特別當FPGA 被配置為等待DCM鎖存其時鐘輸入。

圖5-32 FPGA從串配置電路示意圖

此外，從串配置模式也可配置多片F(xiàn)PGA芯片，典型的兩片Spartan 3E系列FPGA的從串配置電路如圖5-33所示。所有芯片的CCLK信號都有主控設備提供，靠近主控設備的FPGA要充當橋梁的作用，將配置數(shù)據(jù)轉發(fā)到第二個FPGA芯片。可以看到采用從串配置的好處主要在于節(jié)省電路板面積，并使得系統(tǒng)具備更大的靈活性。

圖5-33 多片F(xiàn)PGA從串模式配置電路

5.5.5 JTAG配置模式

1.JTAG配置電路

賽靈思公司的FPGA芯片具有IEEE 1149.1/1532協(xié)議所規(guī)定的JTAG接口，只要FPGA上電，不論模式選擇管腳M[2:0] 的電平，都可用采用該配置模式。但是將模式配置管腳設置為JTAG模式，即M[2:0]=3’b101時，F(xiàn)PGA芯片上電后或者PROG_B管腳有低脈沖出現(xiàn)后，只能通過JTAG模式配置。JTAG模式不需要額外的掉電非易失存儲器，因此通過其配置的比特文件在FPGA斷電后即丟失，每次上電后都需要重新配置。由于JTAG模式已更改，配置效率高，是項目研發(fā)階段必不可少的配置模式。典型的Spartan 3E系列芯片的JTAG配置電路如圖5-34所示。

圖5-34 JTAG模式配置電路示意圖

5.5.6 System ACE配置方案

隨著FPGA成為系統(tǒng)級解決方案的核心，大型、復雜設備常需要多片大規(guī)模的FPGA。如果使用PROM進行配置，需要很大的PCB面積和高昂的成本，因此很多情況下都利用微處理由從模式配置FPGA芯片，但該配置方案容易出現(xiàn)總線競爭且延長了系統(tǒng)啟動時間。為了解決大規(guī)模FPGA的配置問題，賽靈思公司推出了系統(tǒng)級的System ACE(Advanced Configuration Environment) 解決方案。

System ACE可在一個系統(tǒng)內，甚至在多個板上，對賽靈思的所有FPGA進行配置，使用Flash存儲卡或微硬盤保存配置數(shù)據(jù)，通過System ACE控制器把數(shù)據(jù)配置到FPGA中。目前，System ACE有System ACE

CF(Compact Flash)、System ACE SC(Soft Controller) 以及System ACE MPM(Muti-Package Module) 三種。讀者需要注意的是：System ACE SC/MPM 是和System ACE CF 獨立的解決方案。典型的ACE 接口以及系統(tǒng)組成如圖5-35 所示。

圖5-35 典型的ACE接口以及系統(tǒng)組成示意圖

1.System ACE CF解決方案

System ACE CF的核心是System ACE CF存儲設備和System ACE控制器芯片。System ACE CF存儲設備包括賽靈思的ACE Flash卡或其它廠家的Compact Flash卡以及IBM的微硬盤。Compact Flash卡的容量為32MB~4GB，微硬盤的容量為2GB~6GB，至少可配置數(shù)百片F(xiàn)PGA芯片。

System ACE CF控制器提供了存儲單元和FPGA器件之間的接口，PC和存儲器的標準JTAG接口。控制器芯片默認的配置模式也是通過邊界掃描的方式將數(shù)據(jù)配置到FPGA 鏈中，同樣可由邊界掃描鏈的測試和編程接口來輔助進行系統(tǒng)原形的調試，其主要特點有：

- 支持賽靈思所有FPGA芯片的配置;

- 以最小的PC板空間實現(xiàn)多達8Gb的配置 ;

- 包括高達152Mbps的配置速率;

- 利用帶有嵌入式處理器核的FPGA進行系統(tǒng)調節(jié);

- 管理多個比特流( 全部或部分)，并按需要對其進行激活;

- 包含處理器核初始化;

- 軟件存儲加密;

- 可移動存儲器件;

- 降低了定制配置系統(tǒng)的成本，支持大多數(shù) CompactFlash卡，包括Microdrive單元;包含內置式微處理器接口，可以直接調整FPGA配置;釋放設計資源。

圖5-36 System ACE CF配置電路示意圖

Compact Flash接口是ACE控制器的關鍵接口，可連接Compact Flash卡、標準的Compact Flash模塊以及IBM微硬盤。Compact Flash可以進行拆卸，因此對存儲內容進行修改和升級以及更換容量都非常方便。Compact Flash接口由Compact Flash控制器和Compact Flash仲裁器兩部分組成。由System ACE CF配置FPGA的接口電路如圖5-36所示。

2.System ACE SC解決方案

System ACE SC為用戶提供了自主性，用戶可以自由地選擇每一部分的元件，可將其置于電路板的任何位置，且所有的功能在一個獨立的FPGA中完成，并不需要整合其他組件。System ACE SC有4個主要接口：邊界掃描JTAG接口、系統(tǒng)控制接口、Flash存儲器接口以及FPGA 接口，如圖5-37所示。

圖5-37 System ACE SC接口示意圖

其中JTAG接口主要提供邊界掃描測試和對具有JTAG接口的Flash存儲器通信;Flash接口主要和外邊的Flash芯片通信，讀取存儲器內的內容以及對存儲器進行編程;系統(tǒng)控制接口主要提供輸入時鐘、配置控制信號和配置狀態(tài)信號等;FPGA 接口主要用于配置FPGA，可通過從串、從并以及Selec tMAP等配置模式。

System ACE SC和System ACE CF的主要區(qū)別在于，System ACE SC的控制器是一個軟核邏輯，而不是芯片，需要和設計一起下載到FPFA中。其余區(qū)別如表5-4所列。

表5-4 System ACE CF和System ACE SC的區(qū)別

典型的System ACE SC 配置電路如圖5-38 所示。

圖5-38 System ACE SC配置電路示意圖

3.System ACE MPM解決方案

System ACE MPM是一個整合的組件解決方案，包括FPGA和PROM組成的配置控制組件和一個Flash存儲組件，并封裝為一個模塊，通過盡可能少的組件來實現(xiàn)配置電路。賽靈思公司有16M、32M 以及64M位低密度的System ACE MPM。System ACE MPM 有4 個主要接口，和System ACE SC 的接口一樣，其特征和功能也與System ACE SC 一樣。二者的區(qū)別在于：System ACE MPM 封裝了整個配置模塊，而System ACE SC 允許用戶自行配置，其接口電路如圖5-39 所示。

圖5-39 System ACE MPM接口電路示意圖

System ACE MPM是賽靈思公司第一個支持位流壓縮的配置方案，支持多種配置模式，同時可多達8個FPGA鏈的從串配置模式和多達4個FPGA的Select MAP配置模式，最大配置速率為152Mbps，同時又可最大限度地減小電路板空間和連線。典型的System ACE MPM 配置電路如圖5-40所示?？傊?，System ACE技術簡化了大型FPGA 系統(tǒng)的配置方案，令開發(fā)人員將精力主要集中在系統(tǒng)性能的提高和開發(fā)時間的縮短。

圖5-40 System ACE MPM配置電路示意圖

審核編輯：湯梓紅