FPGA自動加載系統(tǒng)方案設(shè)計詳解

0 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA的性能變的越來越優(yōu)越，應(yīng)用空間也變得越來越廣。FPGA具有支持重復(fù)編程的特點，但是掉電后不能保存配置信息。因此在上電后，都需要用戶將設(shè)計的FPGA配置文件從外部存儲器中下載到FPGA中才能工作。針對這種情況，本文提出了一種以USB芯片，F(xiàn)LASH芯片和CPLD組成的FPGA自動加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過USB芯片將PC中的配置文件傳送給CPLD，CPLD再將其寫入FLASH芯片，F(xiàn)LASH芯片可以長久地存儲配置文件。這樣FPGA每次上電后CPLD將FLASH中的配置文件讀出來配置FPGA。從而使FPGA在每次上電后都可以自動獲取配置文件，使其可以作為一個獨立“芯片”工作，具有很強的實用性。在PS模式配置方式上也有改進，在傳統(tǒng)PS模式下配置多個FPGA時通常使用前一級的FPGA的nCEO連接后一級FPGA的nCE來使能后一級FPGA，這樣在第一個FPGA配置好后，nCEO會使能下一級的FPGA開始配置。這樣只能先配置第一個FPGA，而且不能自由控制來配置下一級的FPGA。采用CPLD同時連接兩個nCE，在前一級FPGA配置好后，獲取完成信號來配置第二個FPGA，這樣不受FPGA前后級聯(lián)的順序影響，可以自由選擇配置FPGA。

1 系統(tǒng)框架及芯片簡介

系統(tǒng)由CPLD，USB芯片和FLASH芯片組成，外加PC部分配合系統(tǒng)工作。系統(tǒng)框架見圖1。系統(tǒng)中USB芯片連接PC與CPLD，PC通過USB向CPLD發(fā)送命令來操作FLASH。首先發(fā)送擦除FLASH命令，擦除完畢或?qū)⑴渲梦募懭隖LASH芯片。在FLASH芯片中可以存入多個FPGA的配置文件，在上電后或者需要加載時，CPLD讀取FLASH中的配置文件并且對FPGA進行配置。

2 燒寫FLASH時序

USB、CPLD和FLASH的連接關(guān)系如圖2所示。USB將PC的命令和配置文件發(fā)送給CPLD，CPLD通過時序邏輯控制FLASH。

系統(tǒng)中所使用的USB芯片是FTDI公司的FT245BL，將USB芯片與PC連接后，USB芯片會自動識別為串口，利用串口調(diào)試助手可以向其發(fā)送命令或文件。

擦除和燒寫FLASH操作如下所述：

FLASH芯片選用恒憶公司的M29EW系列512MNOR型FLASH。采用異步時鐘操作，時序圖中的fls_byte管腳對應(yīng)的位寬選擇信號，在本系統(tǒng)中將其拉低表示使用8 b位寬fls_adr表示地址，fls_dat表示數(shù)據(jù)，fls_cen為芯片使能信號，fls_oen為芯片讀使能信號，fls_wen為芯片寫使能信號。

如圖3和圖4所示，在執(zhí)行擦除或?qū)懖僮鲿r序時，將fls_cen拉低、fls_oen拉高時可以執(zhí)行寫或擦除命令，fls_wen上升沿采樣地址，下降沿采樣數(shù)據(jù)。fls_ry_by是芯片的繁忙或空閑信號，是FLASH芯片惟一的輸出信號，用于表示正在執(zhí)行擦除或者寫操作。

（1）擦除FLASH

在使用FALSH芯片之前需要對其進行擦除，PC通過USB向CPLD發(fā)出擦除命令后如圖3所示。寫入連續(xù)5個對應(yīng)的地址和數(shù)據(jù)后，F(xiàn)LASH芯片將整個芯片的數(shù)據(jù)擦除，如圖3所示在執(zhí)行后，fls_ry_by信號拉低表示進入了擦除狀態(tài)。

（2）燒寫FLASH

如圖4所示，在執(zhí)行寫FLASH操作時，首先需要給出寫FLASH三次對應(yīng)的數(shù)據(jù)和地址作為前置命令，然后給出需要寫入FLASH的地址和數(shù)據(jù)。在接到命令后，CPLD根據(jù)圖中時序?qū)PGA的配置文件寫入FLASH。

3 PS模式自動加載FPGA

FPGA的配置管腳如圖5所示。

在PS模式下配置FPGA的FLASH，CPLD和FPGA的連接關(guān)系如圖5所示。

圖6所示為PS模式加載FPGA的流程圖。在加載過程中，將ps_nce拉低并且將ps_nconfig拉低至少40μs后再拉高，正常情況下這個操作會使ps_nstatus產(chǎn)生一個由低到高的一個脈沖信號并且使ps_conf_done由高變低。在ps_nstatus產(chǎn)生上升沿的瞬間立即給出ps_dclk和ps_data0來配置FPGA，其中ps_data0信號是通過讀取FLASH芯片中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。FPGA在接收配置文件的過程會自動識別文件的結(jié)尾，在配置結(jié)束后ps_ conf_done信號會拉高以表明配置結(jié)束，配置過程中init_done會由高變低，在經(jīng)過至少18μs后init_done信號拉高表明完成初始化，隨后進入用戶模式。常規(guī)的方式采用nCONFIG，nSTATUTS，CONF_DONE復(fù)用，并且前一級FPGA的nCE連接后一級的FPGA的nCEO，這樣加載順序就被固定，而且每次加載只能先加載第一個FPGA，待加載完畢后才能加載第二個FPGA。與常規(guī)的配置方式不同之處在于通過使能nCE來選擇需要配置的FPGA，給出相應(yīng)的配置文件與信號ps_conf_done的時序來判斷是否配置完成，這樣就可以自由選擇配置FPGA。

如圖7所示為FPGA自動加載的平臺，通過CPLD的邏輯控制和USB芯片的總線可以將PC端配置文件寫入FLASH芯片中。在需要使用自動加載功能時，在上電后CPLD會立即讀出存取在FLAHS中的FPGA配置文件，以PS模式配置相應(yīng)的FPGA。

4 結(jié)論

經(jīng)測試系統(tǒng)可以在上電后對FPGA進行自動加載。本文提供了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和實施方案整體流程以及時序要求，具有很強的應(yīng)用和參考價值。