王新勇孫瑞利張利

（河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003）

1.引言

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA采用CMOS SRAM制造工藝，使用SRAM來(lái)存儲(chǔ)編程數(shù)據(jù)，具有系統(tǒng)可編程特性。當(dāng)?shù)綦姾?，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。但使用FPGA時(shí)，每次上電之后都需要再重新下載程序，無(wú)疑是非常不方便的。因此在使用時(shí)需要對(duì)FPGA進(jìn)行配置，即在每次系統(tǒng)上電時(shí)，必須用配置芯片對(duì)其進(jìn)行配置，只有在配置正確的情況下，系統(tǒng)才能正常工作。配置數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)于片外的EPROM或其它的存儲(chǔ)體上。本文所使用的FPGA芯片EPF10K10是Altera公司FLEX10K系列產(chǎn)品之一，包括可用邏輯門1萬(wàn)～25萬(wàn)，RAM 6114～4096位，512個(gè)宏單元，具有高密度、高速度的特點(diǎn)。配置芯片是Altera公司的可擦除芯片EPC2LC20，內(nèi)部有1，695，680位。

2.配置方式

2.1 FPGA的配置方式

FPGA的配置方式有以下幾種：

(1)EPC1配置該方法是使用Altera公司提供的專用EPC1 EPROM對(duì)器件進(jìn)行配置，EPC1 EPROM存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，但該EPROM只能燒寫(xiě)一次，適用于產(chǎn)品定型后使用。

(2)被動(dòng)串行配置方式PS（Passive Serial）

(3)被動(dòng)并行同步配置PPS(Passive Parallel Synchronous)

(4)被動(dòng)并行異步配置PSA

FPGA中有一些特殊管腳在配置過(guò)程中使用。

MSEL0、MSEL1為輸入配置方式選擇引腳，表1說(shuō)明在二者選取不同值時(shí)的配置方式。

在本次設(shè)計(jì)中選擇MSEL0、，MSEL1均為低電平。

nSTATUS為配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)輸出引腳，此信號(hào)需經(jīng)1K電阻上拉。配置過(guò)程中，出現(xiàn)低電平表明配置過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，需重新配置。

表1 配置方案設(shè)置

nCONFIG為配置控制引腳。

DCLK為串行配置的時(shí)鐘輸入，用于鎖存外部數(shù)據(jù)。

CONF_DONE為配置狀態(tài)輸入輸出引腳，此信號(hào)需經(jīng)1K電阻上拉。配置過(guò)程中，10K電阻將此信號(hào)拉低，成功配置完畢后，芯片釋放端口，由上拉電阻將其電平抬高。

nCE為使能輸入引腳。

nCEO為使能輸出引腳。

2.2 EPC2存儲(chǔ)器的配置

Altera的可重復(fù)編程邏輯器件EPC2滿足了在系統(tǒng)編程的要求，具有Flash配置存儲(chǔ)器，可用來(lái)配置5.0V、3.3V、2.5V器件。通過(guò)內(nèi)置的IEEEStd 1149.1 JTAG接口，EPC2可以在5.0V和3.3V電壓下進(jìn)行在系統(tǒng)編程(ISP)。Altera公司的Quartus II和MAX+PLUS II軟件均支持配置器件的編程，設(shè)計(jì)中軟件自動(dòng)為每一個(gè)配置器件產(chǎn)生POF文件。

(1)JTAG模式：JTAG邊界掃描模式是采用JTAG接口方式對(duì)器件進(jìn)行在系統(tǒng)編程。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出。

(2)EPC2引腳

EPC2的nCS和OE引腳控制DATA輸出引腳的三態(tài)緩沖器、使能地址計(jì)數(shù)器和EPC2的振蕩器。nCS引腳控制配置器件的輸出。當(dāng)OE引腳接低電平時(shí)，不論nCS為何狀態(tài)，地址計(jì)數(shù)器復(fù)位，DATA引腳輸出為高阻狀態(tài)。當(dāng)OE引腳接高電平時(shí)，如果nCS保持高電平，則計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，DATA引腳保持高阻狀態(tài)：如果nCS為低電平，則計(jì)數(shù)器和DATA引腳正常工作。EPC2中的nINIT-CONF引腳與FPGA器件的nCONFIG引腳相連；EPC2的DATA引腳與FPGA器件的DATA0引腳相連。存儲(chǔ)在EPC2器件中的數(shù)據(jù)在其內(nèi)部時(shí)鐘的控制下順序輸出到DATA腳，然后在控制信號(hào)的控制下輸出到FPGA器件的DATA0引腳。

EPC2與FPGA連接電路圖1所示：

當(dāng)NCONFIG產(chǎn)生下降沿脈沖時(shí)啟動(dòng)配置過(guò)程。在DCLK出現(xiàn)上升沿時(shí)，芯片將一位數(shù)據(jù)傳入內(nèi)部，直至所有數(shù)據(jù)都被移入。在配置過(guò)程中，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，NSTATUS被拉低，系統(tǒng)必須能識(shí)別這個(gè)信號(hào)，并重新啟動(dòng)配置過(guò)程。配置數(shù)據(jù)全部正確地移入芯片內(nèi)部后，CONF_DONE信號(hào)跳變?yōu)楦?，此后，DCLK必須再提供10個(gè)周期的時(shí)鐘，確保芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶工作模式。圖2為單個(gè)EPC2器件配置EPF10K10LC的時(shí)序圖。

3.下載步驟

在編譯文件完成后，就需要下載文件，具體步驟如下：

(1)將要下載的文件置為頂層文件，然后點(diǎn)擊主菜單Assigndevice…，在彈出的窗口中選擇目標(biāo)芯片。在Device Family中選擇FLEX10K系列，在Device欄中選擇EPF10K10LC84-3；然后點(diǎn)擊Device Option。在彈出窗口中的Configuration EPROM欄中選擇EPC2LC20，單擊OK，回到Device畫(huà)面，單擊OK。

(2)執(zhí)行一次“compiler”（編譯）命令，產(chǎn)生新的*.pof文件。

(3)打開(kāi)下載編譯器，選擇JTAG/Multi-DeviceJTAG Chain Setup。在彈出窗口中的Device Name和Programming File Name欄中分別選擇器件和該器件對(duì)應(yīng)的文件（1、EPF10K10對(duì)應(yīng)*.sof文件，2、EPC2對(duì)應(yīng)*.pof文件。注意應(yīng)先輸入EPC2所對(duì)應(yīng)的*.pof文件，再輸入EPF10K10對(duì)應(yīng)*.sof文件，輸入先后次序不能顛倒），選擇一項(xiàng)后，點(diǎn)擊“ADD”按鈕（應(yīng)注意不要點(diǎn)擊“change”按鈕），再選擇另一項(xiàng)。然后單擊“OK”按鈕即可。

(4)選定完成后，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行編譯。

(5)分別對(duì)器件進(jìn)行編程，配置。

完成上述步驟后，就已將該文件配置到兩個(gè)目標(biāo)芯片中。當(dāng)?shù)綦姾?，程序?huì)保存到EPC2器件中，上電后，EPF10K10把程序從EPC2中讀入，從而實(shí)現(xiàn)了FPGA芯片中程序的掉電保持功能。

4.結(jié)束語(yǔ)

EPF10K10和專用配置芯片EPC2的電路連接較為簡(jiǎn)單，通過(guò)合理的下載配置電路能正確地將設(shè)計(jì)配置到FPGA器件中。該方法具有操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。

[1]Alter corporation.configuring FLEX10K Device.Application Note 59，December 1995；1.

[2]張小平，趙不賄.Altera新型FPGA器件的配置方式[J].微處理機(jī)，2006，（4）：93-95

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[4]王誠(chéng).Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005.