ALTERA FPGA在微处理器系统中的在应用配置

摘要： ALTERA公司SRAM工艺可编程器件应用广泛，专用配置器件比较昂贵。在具有微处理器的系统中，使用微处理器系统的存储器来存储配置数据，并通过微处理器配置FPGA，这种方法几乎不增加成本。微处理器根据不同的程序应用，采用不同的配置数据对FPGA进行配置，使FPGA实现与该应用有关的特定功能。详细介绍了微处理器系统中连接简单的被动串行配置方法和被动并行异步配置方法。

关键词： 在应用配置 FPGA配置 被动串行 被动并行异步

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。

nCE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。