FPGA在微处理器系统中的在应用配置

可编程逻辑器件（PLD）广泛应用在各种电路设计中。基于查找表技术、SRAM工艺的大规模PLD/FPGA，密度高且触发器多，适用于复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法的设计。这类器件使用SRAM单元存储配置数据。配置数据决定了PLD内部互连和功能，改变配置数据，也就改变了器件的逻辑功能。SRAM编程时间短，为系统动态改变PLD的逻辑功能创造了条件。但由于SRAM的数据是易失的，配置数据必须保存在PLD器件以外的非易失存储器内，才能实现在线可重配置（ICR）。

1 在应用配置（动态配置）

同一设备在实现不同的应用时，要求FPGA实现不同的功能。如手持多媒体设备，可拍摄分辨率较高的静止图像照，采用JPEG2000压缩，也可传送活动图像，采用H.263，H.264/AVC等。单纯使用软件实现速度慢，需要对算法进行精细的优化；而使用硬件实现则速度快，但灵活性差。为此，采用微处理器和FPGA相结合来实现手持多媒体终端，微处理器实现程序控制，FPGA实现大量的规则运算。此外，手持设备的某些应用（如静止图像和活动视频压缩）可能并不同时实现。若在一片FPGA同时实现这些功能，不仅布线复杂，功能难以实现，而且需要更大规模的FPGA。若使用不同的配置数据进行配置，使FPGA在不同时刻实现不同的功能，则FPGA的容量可以显著降低，从而降低设备的体积、功耗及成本。

图 1 APEX FPGA的主动串行（PS）配置时序图

使用在应用配置时，首先把应用分集，可能同时运行的应用分成一组，耗时的规则运算由FPGA实现，其它由微处理器实现。把一个FPGA芯片的多个配置文件连续地存放在系统存储器中，在程序执行时，微处理器把对应特定应用的配置数据装载到FPGA中并完成初始化，在FPGA进入用户模式后就能实现特定的功能了。这种方法可以采用更小规模的FPGA，不必使用专用的昂贵配置芯片（如ALTERA的EPC1、EPC2等）来存储配置数据，因而可显著地节省系统成本。

ALTERA SRAM工艺的FPGA配置方式主要分为两大类：主动配置和被动配置。主动配置方式由PLD器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；而被动配置方式则由外部计算机或控制器控制配置过程。根据数据线的多少又可以将PLD器件配置方式分为并行配置和串行配置两大类。下面以ALTERA APEX20KC系列器件为例，介绍两种在微处理器系统里连接简单且使用方便的配置方式：被动串行配置和被动并行异步配置。

2 被动串行配置（PS）

被动串行配置的主要配置引脚如下：

nSTATUS:命令状态下为器件的状态输出。加电后，FPGA立即驱动该引脚到低电位，然后在5μs内释放它。NSTATUS经过10kΩ电阻上拉到Vcc，如果配置中发生错误，FPGA将其拉低。在配置或者初始化时，若配置电路将nSTATUS拉低，FPGA进入错误状态。

NCONFIG:配置控制输入。低电位使器件复位，由低到高的电位跳变启动配置。

CONF_DONF：双向漏极开路；在配置前和配置期间为状态输出，FPGA将其驱动为低。所有配置数据无错误接收并且初始化时钟周期开始后，FPGA将其置为三态，由于有上拉电阻，所以将其变为高电平，表示配置成功。在配置结束且初始化开始时，CONF_DONE为状态输入：若配置电路驱动该管脚到低，则推迟初始化工作；输入高电位则引导器件执行初始化过程并进入用户状态。

DCLK：时钟输入，为外部数据源提供时钟。

nCE:FPGA器件使能输入。nCE为低时，使能配置过程。单片配置时，nCE必须始终为低。

nCEO:输出（专用于多片器件）。FPGA配置完成后，输出为低。在多片级联配置时，驱动下一片的nCE端。

DATA0：数据输入，在DATA0引脚上的一位配置数据。

PORSEL：专用输入，用来设置上电复位（POR）的延时时间。

图 2 使用微处理器的被动串行配置方案

nIO_PULLUP:输入。低电平时，在配置前和配置期间使能内部弱的上拉电阻，将用户管脚拉至VCCIO。

几乎所有ALTERA FPGA器件都支持被动串行配置。被动串行配置的是序图如图1所示，在这种配置方式中没有握手信号，配置时钟的工作频率必须在器件允许的范围，最低频率没有限制。为了开始配置，配置管脚和JTAG管脚所在的bank的VCCINT、VCCIO必需供电。FPGA上电后进入复位状态。nCONFIG被置为低电平，使FPGA进入复位状态；nCONFIG由低到高的电位跳变启动配置过程。整个配置包括三个阶段：复位、配置和初始化。当nSTATUS或者nCONFIG为低电平时，器件脱离复位状态，并且释放漏极开路的nSTATUS管脚。在nSTATUS释放后，被外部电阻拉高，这时nSTATUS和nCONFIG同时为高电平，FPGA准备接收配置数据，配置阶段开始。在串行配置过程中，FPGA在DCLK上升沿锁存DATA0引脚上的数据。成功接收到所有数据后，释放CONF_DONE引脚，并被外部电阻拉高。CONF_DONE由低到高的转变标志配置结束，初始化开始。此后，DCLK必须提供几个周期的时钟（具体周期数据与DCLK的频率有关），确保目标芯片被正确初始化。初始化完成后，FPGA进入用户工作模式。如果使用了可选的INIT_DONE信号，在初始化结束后，INIT_DONE被释放，且被外部电阻拉高，这时进入用户模式。DCLK、DATA、DATA0配置后不能三态，可置高或者置低。

在配置过程中，一旦出现错误，FPGA将nSTATUS拉低。系统可以实时监测，当识别到这个信号后，重新启动配置过程。NCONFIG由高变低，再变高可以重新进行配置。一旦nCONFIG被置低，nSTATUS和CONF_DONE也将被FPGA置低。当nSTATUS和nCONFIG同时为高电平时，配置开始。

图2是采用微处理器的FPGA被动串行配置方案的简化电路图。配置过程为：由微处理器将nCONFIG置低再置高来初始化配置；检测到nSTATUS变高后，就将配置数据和移位时钟分别送到DATA0和DCLK管脚；送完配置数据后，检测CONF_DONE是否变高，若未变高，说明配置失败，应该重新启动配置过程。在检测CONF_DONE变高后，根据器件的定时参数再送一定数量的时钟到DCLK管脚；待FPGA初始化完毕后进入用户模式。如果单片机具有同步串口，DATA0、DCLK使用同步串口的串行数据输出和时钟输出，这时只需要简单把数据字节或字锁存到发送缓冲器就可以了。在使用普通I/O线输出数据时，每输出1个比特，就要将DCLK置低再置高产生一个上升沿。它比ALTERA公司手册给出的电路连接图更有效地使用了存储器。

图 3 使用微处理器的被动并行异步配置电路

3 被动并行异步配置

如同被动串行配置一样，被动并行异步配置也包括三个阶段：复位、配置和初始化。被动并行异步配置电路图如图3所示。当nSTATUS或者nCONFIG为低电平时，器件处于复位状态。微处理器在nCONFIG管脚产生一个由低到高的跳变启动FPGA的配置。当nCONFIG变高后，器件脱离复位状态，并且释放漏极开路的nSTATUS管脚，FPGA准备接收配置数据，配置阶段开始。在配置阶段，微处理器FPGA当作存储器，进行写操作，即微处理器先使片选有效，然后把8比特数据送到Data[0:7]管脚上，并配置管脚RDYnBSY到低电平，表示FPGA正忙于处理配置数据，微处理器可执行其它功能。在RDYnBSY低电平期间，FPGA使用内部振荡器时钟处理配置数据。当FPGA准备接收下一字节的配置数据时，它驱动RDYnBSY到高电平。微处理器检测到这一高电平，便送下一字节数据到配置管脚。为了节省一根用来检测RDYnBSY的I/O线，可采用读存储器的方法读FPGA，其中nRS为存储器读信号，在nRS有效期间，RDYnBSY信号被送到数据线D7上。也可以不检测RDYnBSY，也不读FPGA，简单地等待延时tBUSY(max)+tRDY2WS+tW2SB之后就写下一个配置数据字节。FPGA每处理一字节配置数据后，若发现错误就会将nSTATUS拉低，暗示配置出错。微处理器可以检测这一错误，并重新进行配置。如同被动串行配置一样，FPGA在正确接收所有配置数据后，将释放CONF_DONE信号，于是该管脚被外部上拉电阻拉高，表示配置结束，初始化开始。

4 配置数据文件的生成

Altera的MAX+PLUS II或Quartus II开发工具可以生成多种格式的配置文件，用于不同配置方法。不同目标器件，配置数据的大小不同。配置文件的大小一般由二进制文件（扩展名为.rbf）决定。Altera提供的软件工具不自动生成.rbf文件，需要按照下面的步骤生成：①在MAX+PLUS II编译状态，选择文件菜单中的变换SRAM目标文件命令；②在变换SRAM目标文件对话框，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential)，然后予以确定。