摘要： ALTERA公司SRAM工藝可編程器件應用廣泛，專用配置器件比較昂貴。在具有微處理器的系統(tǒng)中，使用微處理器系統(tǒng)的存儲器來存儲配置數據，并通過微處理器配置FPGA，這種方法幾乎不增加成本。微處理器根據不同的程序應用，采用不同的配置數據對FPGA進行配置，使FPGA實現與該應用有關的特定功能。詳細介紹了微處理器系統(tǒng)中連接簡單的被動串行配置方法和被動并行異步配置方法。

關鍵詞： 在應用配置 FPGA配置 被動串行 被動并行異步

可編程邏輯器件（PLD）廣泛應用在各種電路設計中。基于查找表技術、SRAM工藝的大規(guī)模PLD/FPGA，密度高且觸發(fā)器多，適用于復雜的時序邏輯，如數字信號處理和各種算法的設計。這類器件使用SRAM單元存儲配置數據。配置數據決定了PLD內部互連和功能，改變配置數據，也就改變了器件的邏輯功能。SRAM編程時間短，為系統(tǒng)動態(tài)改變PLD的邏輯功能創(chuàng)造了條件。但由于SRAM的數據是易失的，配置數據必須保存在PLD器件以外的非易失存儲器內，才能實現在線可重配置（ICR）。

1 在應用配置（動態(tài)配置）

同一設備在實現不同的應用時，要求FPGA實現不同的功能。如手持多媒體設備，可拍攝分辨率較高的靜止圖像照，采用JPEG2000壓縮，也可傳送活動圖像，采用H.263，H.264/AVC等。單純使用軟件實現速度慢，需要對算法進行精細的優(yōu)化；而使用硬件實現則速度快，但靈活性差。為此，采用微處理器和FPGA相結合來實現手持多媒體終端，微處理器實現程序控制，FPGA實現大量的規(guī)則運算。此外，手持設備的某些應用（如靜止圖像和活動視頻壓縮）可能并不同時實現。若在一片FPGA同時實現這些功能，不僅布線復雜，功能難以實現，而且需要更大規(guī)模的FPGA。若使用不同的配置數據進行配置，使FPGA在不同時刻實現不同的功能，則FPGA的容量可以顯著降低，從而降低設備的體積、功耗及成本。

圖 1 APEX FPGA的主動串行（PS）配置時序圖

使用在應用配置時，首先把應用分集，可能同時運行的應用分成一組，耗時的規(guī)則運算由FPGA實現，其它由微處理器實現。把一個FPGA芯片的多個配置文件連續(xù)地存放在系統(tǒng)存儲器中，在程序執(zhí)行時，微處理器把對應特定應用的配置數據裝載到FPGA中并完成初始化，在FPGA進入用戶模式后就能實現特定的功能了。這種方法可以采用更小規(guī)模的FPGA，不必使用專用的昂貴配置芯片（如ALTERA的EPC1、EPC2等）來存儲配置數據，因而可顯著地節(jié)省系統(tǒng)成本。

ALTERA SRAM工藝的FPGA配置方式主要分為兩大類：主動配置和被動配置。主動配置方式由PLD器件引導配置操作過程，它控制著外部存儲器和初始化過程；而被動配置方式則由外部計算機或控制器控制配置過程。根據數據線的多少又可以將PLD器件配置方式分為并行配置和串行配置兩大類。下面以ALTERA APEX20KC系列器件為例，介紹兩種在微處理器系統(tǒng)里連接簡單且使用方便的配置方式：被動串行配置和被動并行異步配置。

2 被動串行配置（PS）

被動串行配置的主要配置引腳如下：

nSTATUS:命令狀態(tài)下為器件的狀態(tài)輸出。加電后，FPGA立即驅動該引腳到低電位，然后在5μs內釋放它。NSTATUS經過10kΩ電阻上拉到Vcc，如果配置中發(fā)生錯誤，FPGA將其拉低。在配置或者初始化時，若配置電路將nSTATUS拉低，FPGA進入錯誤狀態(tài)。

NCONFIG:配置控制輸入。低電位使器件復位，由低到高的電位跳變啟動配置。

CONF_DONF：雙向漏極開路；在配置前和配置期間為狀態(tài)輸出，FPGA將其驅動為低。所有配置數據無錯誤接收并且初始化時鐘周期開始后，FPGA將其置為三態(tài)，由于有上拉電阻，所以將其變?yōu)楦唠娖剑硎九渲贸晒ΑＴ谂渲媒Y束且初始化開始時，CONF_DONE為狀態(tài)輸入：若配置電路驅動該管腳到低，則推遲初始化工作；輸入高電位則引導器件執(zhí)行初始化過程并進入用戶狀態(tài)。

DCLK：時鐘輸入，為外部數據源提供時鐘。

nCE:FPGA器件使能輸入。nCE為低時，使能配置過程。單片配置時，nCE必須始終為低。

nCE輸出（專用于多片器件）。FPGA配置完成后，輸出為低。在多片級聯配置時，驅動下一片的nCE端。

DATA0：數據輸入，在DATA0引腳上的一位配置數據。

PORSEL：專用輸入，用來設置上電復位（POR）的延時時間。

圖 2 使用微處理器的被動串行配置方案

nIO_PULLUP:輸入。低電平時，在配置前和配置期間使能內部弱的上拉電阻，將用戶管腳拉至VCCIO。

幾乎所有ALTERA FPGA器件都支持被動串行配置。被動串行配置的是序圖如圖1所示，在這種配置方式中沒有握手信號，配置時鐘的工作頻率必須在器件允許的范圍，最低頻率沒有限制。為了開始配置，配置管腳和JTAG管腳所在的bank的VCCINT、VCCIO必需供電。FPGA上電后進入復位狀態(tài)。nCONFIG被置為低電平，使FPGA進入復位狀態(tài)；nCONFIG由低到高的電位跳變啟動配置過程。整個配置包括三個階段：復位、配置和初始化。當nSTATUS或者nCONFIG為低電平時，器件脫離復位狀態(tài)，并且釋放漏極開路的nSTATUS管腳。在nSTATUS釋放后，被外部電阻拉高，這時nSTATUS和nCONFIG同時為高電平，FPGA準備接收配置數據，配置階段開始。在串行配置過程中，FPGA在DCLK上升沿鎖存DATA0引腳上的數據。成功接收到所有數據后，釋放CONF_DONE引腳，并被外部電阻拉高。CONF_DONE由低到高的轉變標志配置結束，初始化開始。此后，DCLK必須提供幾個周期的時鐘（具體周期數據與DCLK的頻率有關），確保目標芯片被正確初始化。初始化完成后，FPGA進入用戶工作模式。如果使用了可選的INIT_DONE信號，在初始化結束后，INIT_DONE被釋放，且被外部電阻拉高，這時進入用戶模式。DCLK、DATA、DATA0配置后不能三態(tài)，可置高或者置低。

在配置過程中，一旦出現錯誤，FPGA將nSTATUS拉低。系統(tǒng)可以實時監(jiān)測，當識別到這個信號后，重新啟動配置過程。NCONFIG由高變低，再變高可以重新進行配置。一旦nCONFIG被置低，nSTATUS和CONF_DONE也將被FPGA置低。當nSTATUS和nCONFIG同時為高電平時，配置開始。

圖2是采用微處理器的FPGA被動串行配置方案的簡化電路圖。配置過程為：由微處理器將nCONFIG置低再置高來初始化配置；檢測到nSTATUS變高后，就將配置數據和移位時鐘分別送到DATA0和DCLK管腳；送完配置數據后，檢測CONF_DONE是否變高，若未變高，說明配置失敗，應該重新啟動配置過程。在檢測CONF_DONE變高后，根據器件的定時參數再送一定數量的時鐘到DCLK管腳；待FPGA初始化完畢后進入用戶模式。如果單片機具有同步串口，DATA0、DCLK使用同步串口的串行數據輸出和時鐘輸出，這時只需要簡單把數據字節(jié)或字鎖存到發(fā)送緩沖器就可以了。在使用普通I/O線輸出數據時，每輸出1個比特，就要將DCLK置低再置高產生一個上升沿。它比ALTERA公司手冊給出的電路連接圖更有效地使用了存儲器。

圖 3 使用微處理器的被動并行異步配置電路

3 被動并行異步配置

如同被動串行配置一樣，被動并行異步配置也包括三個階段：復位、配置和初始化。被動并行異步配置電路圖如圖3所示。當nSTATUS或者nCONFIG為低電平時，器件處于復位狀態(tài)。微處理器在nCONFIG管腳產生一個由低到高的跳變啟動FPGA的配置。當nCONFIG變高后，器件脫離復位狀態(tài)，并且釋放漏極開路的nSTATUS管腳，FPGA準備接收配置數據，配置階段開始。在配置階段，微處理器FPGA當作存儲器，進行寫操作，即微處理器先使片選有效，然后把8比特數據送到Data[0:7]管腳上，并配置管腳RDYnBSY到低電平，表示FPGA正忙于處理配置數據，微處理器可執(zhí)行其它功能。在RDYnBSY低電平期間，FPGA使用內部振蕩器時鐘處理配置數據。當FPGA準備接收下一字節(jié)的配置數據時，它驅動RDYnBSY到高電平。微處理器檢測到這一高電平，便送下一字節(jié)數據到配置管腳。為了節(jié)省一根用來檢測RDYnBSY的I/O線，可采用讀存儲器的方法讀FPGA，其中nRS為存儲器讀信號，在nRS有效期間，RDYnBSY信號被送到數據線D7上。也可以不檢測RDYnBSY，也不讀FPGA，簡單地等待延時tBUSY(max)+tRDY2WS+tW2SB之后就寫下一個配置數據字節(jié)。FPGA每處理一字節(jié)配置數據后，若發(fā)現錯誤就會將nSTATUS拉低，暗示配置出錯。微處理器可以檢測這一錯誤，并重新進行配置。如同被動串行配置一樣，FPGA在正確接收所有配置數據后，將釋放CONF_DONE信號，于是該管腳被外部上拉電阻拉高，表示配置結束，初始化開始。

4 配置數據文件的生成

Altera的MAX+PLUS II或Quartus II開發(fā)工具可以生成多種格式的配置文件，用于不同配置方法。不同目標器件，配置數據的大小不同。配置文件的大小一般由二進制文件（擴展名為.rbf）決定。Altera提供的軟件工具不自動生成.rbf文件，需要按照下面的步驟生成：①在MAX+PLUS II編譯狀態(tài)，選擇文件菜單中的變換SRAM目標文件命令；②在變換SRAM目標文件對話框，指定要轉換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后予以確定。