利用CPLD实现FPGA的快速加载

摘要：基于SRAM的FPGA由于其可编程、可升级的特性，被广泛应用于现代通信系统中。由于其易失性，每次上电后都需要重新对FPGA进行加载。随着通信系统复杂度的提高，FPGA配置文件越来越大，加载时间越来越长，严重影响系统的启动时同。为了提高FPGA的加载效率，在此提出一种通过CPLD进行FPGA串行加载的方案。通过验证，该方法既能能提高FPGA加载效率，又能节省CPU和FPGA的GIPO管脚，降低系统启动时间，非常适用于现代复杂通信系统。
关键词：CPLD；CPU；FPGA加载；PS加载

0 引言
    现代通信技术发展日新月异，通信系统必须具备良好的可升级能力以适应时代的发展。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)由于同时具备硬件电路高速运行和软件可编程的双重优点，被广泛应用于通信领域中。FPGA在上电后，需要加载配置文件对内部各功能模块进行初始化，而配置文件加载的效率直接影响系统的初始化时间。因此如何设计一种高效的FPGA加载方案，是通信系统设计中的一个重要环节。
    文献的加载方案采用外部专用的E2PROM器件存储配置文件，并在上电后由FPGA控制整个加载过程。这种主动加载的配置方式需要专门的外部存储芯片，使用面窄，无法实现灵活的在线升级，并且由于EEPROM的容量有限，只能用于加载一些小的FPGA逻辑文件。文献提出采用CPU外挂FLASH存储配置文件，采用通用输入／输出(General Purpose Input／Output，CPU GPIO)管脾模拟被动串行(Passive Serial，PS)加载时序进行配置文件加载的方案，然而这种方案需要占用CPU宝贵的GPIO资源，虽然采用PS方式加载可以节省一定的管脚，但是由于CPU没有专门的PS加载控制器，必须通过软件控制GPIO来模拟PS加载的时序，对于软件最普遍使用的C语言，每一步操作都需要数条指令，耗费时间。对于有多个FPGA，要求远程升级，且对配置速度要求高的大型系统来说，这样的加载时间是无法忍受的。
    本文介绍了一种基于CPLD加载FPGA的方案：FPGA配置文件被存放在CPU外挂的FLASH存储器中，加载时由CPU将配置文件读出，再通过连接CPLD的Local Bus总线将数据以并行方式送给CPLD，CPLD利用速度较高的时钟将数据串行送入FPGA。该方案既可以节省CPU和FPGA的管脚，又可以实现FPGA在线快速加载。

1 FPGA及其加载方式介绍
    FPGA是一种可编程器件，用户可通过软件手段配置FPGA器件内部的连接结构和逻辑单元，完成所需的数字电路功能。目前市场上有三种基本的FPGA编程技术：SRAM，反熔丝和FLASH。其中基于SRAM的FPGA由于其速度快且具有可重编程能力，是目前应用最广泛的一种。但是这种FPGA是易失性的，每次掉电后，FPGA恢复白片，内部逻辑消失，上电时需要重新为FPGA加载配置数据。
    大部分FPGA的加载方式都可以分为主动加载和被动加载。主动加载和被动加载最大的区别在于加载过程是由谁来控制，主动加载的加载过程是由FPGA自身控制，FPGA主动从外部存储器中读取逻辑信息来为自己进行配置，FPGA内部的振荡器产生加载时钟。
被动加载的整个加载过程都是由外部控制器控制，FPGA接收配置时钟，配置命令和配置数据，给出配置状态信号以及配置完成指示信号等。
    为了选择一种合适的加载方式，这里将Altera公司FPGA产品的各种加载方式的对比于如图1所示。需要注意的是，配置速度的快慢只是相对的，其他一些因素如闪存的读取时间，驱动时钟频率等也会影响配置的时间。

    从图中可以看到，并行加载方式虽然速度较快但是耗费较多的管脚；而串行加载则可以节省管脚、降低成本。在几种串行加载方式中，PS加载方式是大部分器件都支持的方式，因此本文后续的设计方案选择PS加载方式进行实现。

2 加载方案的设计
    整个加载方案主要由硬件电路，CPLD逻辑，软件代码几部分组成。
2．1 硬件设计
    在第1节的讨论中选择了PS加载方式。PS加载一般要用到5根信号线，分别是nconfig，dclk，data，nstatus和conf_done，它们的含义如图2所示。

    在传统的PS加载方式中，CPU与FPGA的连线如图3所示。
    这种加载方式的原理是：先将FPGA的配置数据放在CPU外挂非易失性存储器中，CPU启动后，CPU通过GPIO模拟时序的方式将配置数据加载到FPGA中。CPU以这种方式产生的加载时钟只有kHz，加载一个10 MB大小的配置文件大概需要100 s。通过优化代码可以减小加载时间，但是软件不能模拟高频时钟是其固有的缺陷。CPLD可以利用外部高速时钟作为加载参考时钟，且由于它控制简单，扩展方便的特性，可以作为加载的桥梁，在CPU和FPGA之间建立快速加载的通道。
    利用CPLD进行PS加载的电路连接设计如见图4。

    CPU要从外挂存储器中读取配置文件，然后发起加载任务，通知CPLD开始加载并通过Local Bus向CPLD发送加载数据。常用的CPU Local Bus参考时钟约为66 MHz，加载1 B的数据需要约15璐。CPLD对外部参考时钟(可选择，本文选用66 MHz晶振)进行4分频后作为加载时钟，此时钟约为16．5 MHz，其加载效率比CPU GPIO加载方式提高10倍以上。
2．2 CPLD加裁模块的设计
    CPLD加载模块主要是利用CPLD逻辑代码实现PS加载时序，达到快速加载的目的。FPGA的PS加载时序如图5所示。

    PS加载的过程如图6所示。
    根据PS加载的时序和流程图，设计通过CPU和CPLD对FPGA进行加载的过程如下：CPLD在收到CPU发出的加载开始命令后，将nconfig信号拉低(器件时序对nconfig的低电平脉宽有要求)，当FPGA收到nconfig的低脉冲有效信号后，会马上清除现有的程序进入加载状态，拉低nstatus和conf_done信号，在nconfig信号变高500 μs(器件要求)后CPLD可以开始向FPGA送时钟和数据进行加载，加载完成后，FPGA将conf_done信号拉高，递知CPLD，CPLD再通知CPU加载已完成，PPGA进入初始化阶段。
    要实现成功的加载，必须保证加载过程正确，加载时序满足器件要求。还要注意与CPU软件程序的配合。
    (1)nconfig信号时序的控制。nconfig信号时序控制由CPU软件实现，在硬件连接上，将nconfig信号使用外部电阻上拉，软件对CPLD寄存器中的configbit先写0，再写1，中间延迟10μs，保证nconfig信号的脉宽达到芯片要求。
    实际测试波形如图7所示，横轴表示时间，靠上的信号线为nconfig信号，靠下的为nstatus信号，nconfig脉宽约为11μs，满足要求。

    (2)dclk时序的控制。dclk由CPLD的参考时钟elk_ref四分频产生。器件要求dclk在nconfig信号变高后至少500 μs后才输出，这个时序是由CPU软件来控制，软件先将nconfig信号拉低10 μs，等待FPGA回应的nstatus，当nstatus高电平到来后，延迟600μs开始通过Local Bus向CPLD发送数据，同时置位时钟使能标志位，CPLD以此时钟标志位来触发dclk，以此保证dclk的时序。实际测试波形如图8所示。横轴表示时间，靠上的信号线为nconfig，靠下的为dclk，从nconfig变高到dclk输出的延迟约为605μs，满足要求。
    (3)CPLD与CPU标志位的控制实现。必须控制CPLD加载口在CPU送数据完成之后再工作，否则会引起数据阻塞。为了实现这一控制，CPU会送出一个标志位，即CPU在第一个Local Bus的访问周期发送8 b加载数据，在下一个周期CPU会对标志寄存器进行取反操作，CPLD会去检测标志位的沿(上升沿下降沿都可)，当CPLD检测到这个沿，说明CPU的数据已经发送完成，CPLD会产生加载时钟，并利用此时钟将加载数据送入FPGA。CPLD只对边沿进行检测可以减少Local Bus的访问周期，如果用0，1电平或者只用上升沿(只用下降沿)，CPU传送完数据后，需要先读标志寄存器的值，再对标志位进行操作，而用上升沿和下降沿，CPU只需要在第一次传送数据完成后读标志寄存器，随后的数据传送完成后只需要对其进行取反即可。实现程序如图9所示。

    (4)加载模块。当检测到CPU的标志时CPLD开始发送数据对FPGA进行加载，加载完成后对自身的发送完成标志取反，关闭输出使能。要注意不同芯片厂家的加载高低位顺序不同。FPGA是靠dclk的上升沿来采样数据的，所以在dclk的下降沿将数据从CPLD送出，这样在FPGA端采样时dclk的上升沿正好对着数据的中间，能获得最大的时序窗口，如图10所示。

    实现程序如图11所示。
    (5)加载结束后，FPGA将conf_done信号拉高，CPLD通知FPGA加载已经完成。

3 功能、性能测试
    为了验证方案的有效性，选用Altera的FPGA(EP4SGX530)，CPLD(EPM570F256CS)，MPC8548搭建了一个加载系统，测试结果如图12所示，横轴表示时间，有固定周期的信号为dclk。由图可知加载成功，加载时钟频率约为17 MHz。总体加载时间可由conf_done信号指示，如图所示横轴表示时间，从图上可以看出，加载一个10 MB大小的FPGA配置文件大约需要10 s。

4 结论
    CPU直接对FPGA进行加载的传统方式，加载一个10 MB的FPGA配置文件大概需要100 s，利用CPLD对FPGA进行加载，只需要约10 s(Local Bus的访问周期约为200 ns，相对于CPLD对FPGA的加载时间可以忽略不计，两者可以并行进行)，加载速度提高了10倍左右。在有两个甚至多个FPGA需要加载的系统，其优势更为明显。该方法对只要有CPU，CPLD和FPGA的系统即可移植，并且可以支持Altera，XILINX和LATTICE三大厂家的逻辑器件。