FPGA／CPLD可编程逻辑器件的在系统配置方法.pdf

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1、2 0 0 3年 5月 第2 6 卷第5期 重 庆 大 学 学 报 J o u rna l o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y Ma y 2 0 0 3 V0 I 2 6 No 5 文章编号：1 0 0 0 5 8 2 X(2 0 0 3)0 5 0 1 2 5一 o 4 F P G A C P L D可编程逻辑器件的在系统配置方法 何伟，唐 仁 圣，张玲(重庆大学 通信工程学院，重庆4 O O 0 4 4)摘要：讨论 了基 于 S R A M技 术的 C P L D F P G A可编程逻辑 器件的编程 方法，并 以 AL T E R A公 司

2、F L E X1 0系列器件为例，提 出了一种利用微 处理器对可编程逻辑器件进行在 系统 多方案配置的实用方 法。该方法成本低廉、简单 易行，能在 系统复位 或上 电时 自动对 器件编程，不仅 有效 的解决 了基 于 S R A M的 C P L D F P G A器件掉电易失性的问题，而且使单一芯片可以具有多种逻辑功能，实现了该类器 件逻辑功能的在 系统 多方案的灵活配置。关键词：复杂可编程逻辑器件；现场可编程 门阵列；被动 串行配置 P s；静 态存 贮器；电子设计 自动 化；在 系统配置 中图分类号：T N 4 7；T N 7 9 文献标识码：A 可编程逻辑器件被广泛应用于复杂数字系统的

3、设 计中，基于 S R A M工艺的可编逻辑程器件是 目前应用 最广的一种，它能够实现器件的在系统重构 I S R(I n S y s t e m R e e o n fi g u r a t i o n)。因此对这类器件的在系统配 置方法进行研究有重要 的现实意义，希望选择一种简 单易行而又经济有效的方法，并具有普通配置方法所 不具备的优点单芯片多方案配置。1 基于 S R A M的可编程逻辑器件的编程方法 高密度的可编程逻辑器件 C P L D和 F P G A，由于其 可重新编程的特点，给设计的修改和系统的升级等带 来了方便。目前可编程逻辑器件基本上以基 于 S R AM 开关工艺 和基

4、于 E E P R OM工艺为主流。对基于 E E P R O M工艺的可编程器件，系统内重构是通过在系统编 程 I S P(I n S y s t e m P r o g r a mm a b i l i t y)技术实现的，是一种 静态逻辑重构，编程信息存放在 E E P R O M中，可以随 时进行电编程和电擦除，器件掉电后逻辑功能不会丢 失。对基于 S R A M工艺的可编程器件，是通过 t s n(I n S y s t e m R e c o n fi g u r a t i o n)编程技术 实现的，即可以在 系 统运行期间，根据需要适时的对芯片重新 配置 以改变 系统的功能，有

5、的甚至可以只对器件的部分区域进行 重组，而芯片的其它部分还可以正常工作，是一种在系 统动态重构。因此基于 S R A M工艺的可编程逻辑器 件具有极其广泛的应用前 景，也是未来可编程逻辑 器 件的发展方向。业界很 多公 司的可编程器 件，如 A T E R A的 F L E X1 0 K、A P E X系列，X I L I N X的 S p a r t a nI I 系列等都是基于 S R A M工艺的。但这类器件配置数 据放在 S R A M 中，掉电后将丢失系统原有的逻辑功 能，所以系统 再次上 电必 须对 S R A M 重新 加载 配置 数据】。对 S R A M加载配置数据采用最多的

6、就是采用下 载电缆的配置方式，这种方法简单易行，只需直接将配 置数据通过下载电缆由计算机下载至芯片，可以很方 便地修改系统功能，因此被广泛应用在实际系统开发 设计阶段。但对于已经设计完的应用系统，如果每次 掉电后都要通过计算机下载配置会带来很多不便。因 此，如果在对系统重新上电时，系统本身能自动加载可 编程逻辑器件的编程文件，从而对可编程逻辑器件进 行配置，这样就省去了通过手工由下载电缆对器件配 置的过程。该方法的前提是必须在应用系统加上存储 器保存器件的编程文件，以供系统 自动加载时使用。方法 的实 现 常用 的有两 种，以 A L T E R A 公 司 的 F L E X I O系列器件

7、为例：一种是采用主动配置的方法，即在系统对 S R A M加载配置数据时，由可编程逻辑器 件自身控制整个配置过程。F L E X 1 0系列常用的主动 配置是 A S(主动串行)方式，即将编程文件存放在 A 收稿日期1 2 0 0 2 0 6 2 5 作者简介：何伟(1 9 6 4一)，男，四川南充人，重庆大学副教授，硕士。主要从事电子系统设计的研究。维普资讯 http:/ l 2 6 重庆大学学报 2 0 0 3正 T E R A公司的 E P C系列专用存储器中，在芯片上电时 由 F L E X器件控制整个配置过程，实现将编程文件 串 行地送到 F L E X器件的 D A T A 0脚进

8、行配置，并在配置 结束后 自动进行器件的初始化过程，并进入用户状态。该方法简单方便，不需要其它 的外 围控 制器，由 F L E X 器件 自身引导整个配置过程，但是必须采用专用存储 器放置配置数据，而对专用存储器的编程也需要专用 的编程硬件，相对说成本较高；另一种是，采用被动配 置(P S或 P P A、P P S)的方式。编程文件 可以放在通用 程序存储器 中，如 E P R O M，E E P R O M或 F L A S H中，在 F L E X器件上电后，由芯 片外部控制 器 自动地从通用 存储器中读出编程文件并送到 F LEX器件进行配置，数据传送方式可以为串行，也可以为并行。串行

9、传送 时，即 P S方式，配置数据送至 F L E X的 D A T A 0管脚；并行传送时，即 P P A或 P P S方式，配置数据送至 F LE X 器件的 D A T A 0到 D A T A 7脚。常用的外部控制器一般 采用微控制器或 C P U这样的智能主机，在采用 微控制 器配置时，如采用 MC s 5 l单片机，一般 只使 用一位宽 的串行数据通道而不是字节宽的并行数据通道。该方 法的优点是不必采用 A L T E R A的专用存储器，使用廉 价的通用程序存储器就可以实现，这对需要大容量器 件配置文件的场合，在降低成本上是非常有利的。该 方法的另一个突出优点是，可实 现单 系统

10、 多方案 的配 置。因为数据的配置过程是通过外部智能控制器进行 的，所以可以根据需要，在通用存储器中对单一系统存 放多种功能的配置文件，再 由外部控 制器 根据具体情 况自动选择对芯片配置何种功能。这一优点是其它任 何一种配置方法所不具备的。下面将探讨利用微处理 器(8 0 3 1)对 F LE X 1 0进行 P S配置的方法。2 用单片机对 F L E X 1 0系列器件进行 P s 配置 2 1 F L E X 1 0 K系列器件的编程文件 对于同一个 F LE X系列 的器件而言，可以由开发 软件生成不同种类的配置文件。对不同的配置方法应 该采用相应的配置文件。如果采用 A L T E

11、 R A专用编程硬件和下载电缆配 置时，应该使用 S R AM 目标编程文件(S O F)，开发软 件 Q U A T U S I I 或 MA X P L U S I I 能 自动生成 S O F文件，由软件控制配置顺序，并在配置文件加上一些头数据，用以进行差错检测等；在一些被动串行配置方式中，还 用到原二进制文件 R a w B i n a r y F i l e($R B F)：开发软 件在配置文件中都加入了一些额外的比特位，以供器 件在配置结束后初始化进入用户状态使用。每个 R B F文件字节是一个 8位 的配置数据，字节存放时必 须确保每个字节的 L S B位被首先装载。可 以将 R

12、 B F 文件存放在如 E P R O M 等一些通用 的存储器 中，然后 通过外 围的微处理器或其他一些控制器件将存储器中 的配置数据读出，并装载到器件 中，即 由 C P U控制整 个配置过程 的时序。此外，还可以通 过 C P U实现实时 的串并转换，这在 P P S和 P P A配 置方式 中用得较多。在 P S 方式中，C P U只需要进行逐位的数据传输，但要 注意的是必须是先传 L S B位；其他还有一些不同种类 的配置文件，如$P O F，$HE X，$1 r r F，$S B F文件等。P O F文件(编程 目标文件)，该文件被 A L T E R A编程 硬件写到 E P C

13、系列配置 E P R O M 中，在采用 E P C专用 存储器进行 A S配置方式的情况下使用；HE X文件 是 I N T E L格式的十六进制文件，该文件一般用来编程 工业标准的并行存储器，文件除包含必须 的配置数据 外，还有一些 引导位、C R C A位 和填充字 节，适用 的配 置方式有 P P S、P P A等；$1 r r F文件，是一种 纯 A S C I I 码文件，该文件的优点是它能够被任何汇编或高级语 言编译器读 出，这样就可 以将 1 r r F文件包含在微处 理器的原代码里，或者直接 由 C P U寻址存放 1 r r F文 件 的通用存储器；S B F文件是一种串行

14、 的位数据流 文件，该文件在使 用 B i t B l a s t e r 下载电缆 进行 P S配置 时要用到。所有的这些不 同种类的编程文件都可以通 过软件由 S O F文件进行 转化得 到 J。笔者所 讨论 的这种配置方法采用的编程数据是 R B F文件。2 2 F LEX器件配置文件的大小和配置时间的估计 2 2 1 1 0 K 1 0系列 配置文件大小估计：1 0 1 5=1 5 k b y t e 配置时间的计算(P S方式)：如果一个配置时钟周期 配置编程文件的一 个 b i t 位，设 采用 4 MH z的配 置 时 钟 输 入，则 配 置 完 l 5 k B Y T E的文件

15、所需要的时间是：1 5l 02 481 4 M=3 0 7 2 i n s 实际总的配置时间=上电复位时间+数据配置时 间+e r r o r s t a m a检查 时间+富余 时间=1 0 0 T Ils+3 o 7 2瞄+(e x m r te t_ a h _ t s c h e c k+1 0 e x t r a c l o c k)=1 5 0 T I l s 可以说，F L E X的配置是可以在上电后瞬间完成 的，这对 F L E X器件的在系统重构(I S R)功能很重要。2 2 2 1 0 K1 0 0系列 配置文件大小：1 0 01 5=1 5 0 k b y t e 总的

16、配置时间的计算方法与 1 0 K 1 0系列类似。2 3 P S 配置电路 应用 8 0 3 1单 片 机 的 P S配 置连 线 图如 图 1所 示。从图中可知，1 0 K系列在进行 P S配置时主要涉 及到 5 个重要的管脚：D C L K 配置时钟输人端；维普资讯 http:/ 第2 6卷第5期 何伟 等：F P G A C P L D可编程逻辑器件的在 系统配置方法 1 2 7 图 1 8 0 3 1 P S配置 电路 t t O l玛 卜、I I s I r 畸、U r Dr0-加E D A T A 0 配置数 据输入 端；n C O N F I G 配置控制 位输 入 端；n s

17、1 A T U S 配 置 错 误 指 示 位 输 出 端；C O N F D O N E 配置结束标志位输出端。要注意 的是，n S T A T U S和 C O N FD O N E管脚 由 于是双向漏极开路端 口，所 以在作输 出使用时，应该经 过 1 0 K的电阻上拉至 V c c。一 r _ 几几厂_ 几几 几几 L 墨!X X里 X X 火 !D-X l l i t th-Z Mg t-Z I o n配t)c初越 盹栩娜 盹 姻户枕毒 图 2 配置时序图 2 4 8 0 3 1 微控制器 P S配置工作原理 由F L E X I O K芯片所决定的配置时序如图 2所 示 引。其工作

18、原理如下：圈 3配置流 程图 a)先将 n C O N F I G引脚下 拉至 G N D电平，保持 l 0 后，再上拉至 c。b)C P U从存储器中读出配置数据 c)由C P U产生 D C L K时钟信号，注意一般采用小 于 6 MHz 的配置时钟。d)在 D C L K时钟作用下，从低到高依次锁存配置 数据，并送至 F L E X器件的 D A T A 0引脚。e)C P U配置期间如果探测到 C O N F _ D O N E变高，说明器件已经配置结束，以后 C O N F D O N E引脚的由 低到高跳变表示器件 的初始 化，器件进 入用户状态。如果 C P U探测到 n S T

19、 A T U S引脚变低，说明配置过程 发生错误，需要重新启动配置过程。2 5 8 0 3 1 实现配置过程的控制程序如下：a)程序流图：如图3 所示。b)汇编程序设计：；8 0 3 1引脚 分 配：P I 0一一D C L K(输 出)；PI 1一 一CONF_D O N E(输入)；P I 2一一 n C O N F I G(输出)；P I 3一一 n S T A T U S(输入)；P I 4一一D A T A O(输出)源程序：ORG O h R KS E T：M MP sI AR T ORG 3 0 h S T AR T：C L R EA MOV P1，#O H MO V D P T

20、 R，#C O D E 0；找 配置数据 的起 始地址 S E T B P 1 2；n C O N F I G信号由低变高，开 始配置过程 CODEMODE：MOV A#O H MOV R1 搿 08H MOVC A A+DP TR 一 咖 维普资讯 http:/ l 2 8 重庆大学学报 2 0 0 3生 AGAI N：RR C A MOV P1 4 C S ETB P1 O CLR P1 O DJ NZ R1 AGA I N I NC DP TR：MO V A Pl ANL A#o8H 出错 J Z S T AR T MOV A P l ANL A#0 2H 是否配完 J Z CODE M

21、ODE U MP I N m AL I NmAL：；器件初始化程序段：；逐位送数据，L S B位；先送；已送 H S B位?；查 n S T A T U S位，是否；查 C O N F D O N E位，END 3 结论 该方法能真正实现在 系统 自动配置、单芯片多方 案的配置及具有低成本的特点。参考文献：1 宋万杰，罗丰，吴顺君 C P L D技术及其应用 M 西安：西 安电子科技大学出版社，2 0 0 0 2 庞小红F l ea的装置与动态重构 J 。通信与广播电视，2 0 0 0，(3)：7一l 3 3 V E R MA H F i e l d p r o g r a m m a b l

22、 e g a t e a r r a y s J I E E E P o-t e n t i a l s，1 9 9 9，1 8(4)：3 4 3 6 4 袁文国 多片大规模可编程器件的配置应用基于 A L T E R A器件 J 西南民族学院学报(自然科学版)，2 0 0 0，2 6(4)：3 8 1 3 8 4 5 徐以书 用 P o w e r P C 8 6 0实现 F P G A配置 J 单片机与嵌 入式系统应用，2 0 0 2，(1 O)：3 O一3 3 6 C o n fi g u r e S R A MB a s e d L U T D e v i c e s z ，A L T

23、 E R A A p p l 1 c a ti o n No t e l 1 6。F e b r u a r y 2 0 0 2，v e r 3 0 CPLDFPGA Pr o g r a mm a b l e Lo g i c De v i c e s I n S y s t e m Re c o n fig u r a t i o n M e t h o d HE We i，T ANG Re n-s h e n g，Z HANG l i n g (C o l l e g e o f C o mm u n i c a t i o n，C h o n g q i n g U n i v e r

24、 s i t y，C h o n g q i n g 4 O O O 4 4，C h i n a)Ab s t r a c t：T h i s a r t i c l e h a s d i s c u s s e d t h e me thod s o f c o n fi g u r i n g the C P L D F 1 GA d e v i c e s b a s e d o n S R AMa n d c h o o s e the mi c rop r o c e s sor t o c o nfi g u r e the n X1 0 k d e v i c e s o f

25、AL 1 ERAF r o m the a r t i c l e we c an s e e tha t thi s l o w c o s t an d e a s y d o n e me tho d C an e n a b l e the s y s t e m to c o nfi g u r e the C P I D，F p GA d e v i c e s a u t o ma ti c a l l y as s o d a as the s y s t e m i s r e set o r p o w e r i s I 1e a d d e d to i t I t h

26、 as s o l v ed the p r o b l e m tha t C P I D d e vic e s b a s e d S RAM ma y l o se i t g l o g i c f u n c t i o n wh e n d r o p p e d o u t o f p o we r，and i t e n ab l e s the s i n g l e c h i p t o h a v e sev e r a l f u n c t i o n s K e y w o r d s：C P L D；F P G A；p a s s i v e seri a l c o nfig u r a t i o n(P S)；S R A M；E D A；I S R (责任蝙辑吕赛英)维普资讯 http:/