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大部分FPGA采用基于SRAM(靜態(tài)隨機存儲器)的查找表邏輯形成結構，就是用SRAM構成邏輯函數發(fā)生器。SRAM工藝的芯片在掉電后信息就會(huì )丟失，需要外加一片專(zhuān)用配置芯片。在上電時(shí)，由這個(gè)專(zhuān)用配置芯片把數據加載到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作。這就是在線(xiàn)可重配置ICR(In-Circuit Reconfigurability)方式。 Altera公司生產(chǎn)的具有ICR功能的APEX、FLEX10K、ACEX、FLEX6000等系列器件可以使用6種模式進(jìn)行配置，即使用專(zhuān)用EPC配置器件、被動(dòng)串行(PS)方式、被動(dòng)并行同步(PPS)方式、被動(dòng)并行異步(PPA)方式、被動(dòng)串行異步(PSA)方式及邊界掃描(JTAG)方式。這些模式由FPGA上的兩個(gè)模式選擇引腳MSEL1和MSEL0上的電平來(lái)決定。 EPC配置器件有一次性可編程和可擦寫(xiě)編程型兩種。一次性可編程型芯片不適于調試、修改及產(chǎn)品升級，利用率不高；可擦除編程型芯片價(jià)格昂貴，容量有限。使用PS、PPS、PPA方式配置時(shí)，配置文件要以二進(jìn)制形式保存在系統ROM中，然后通過(guò)微處理器將配置數據送進(jìn)FPGA中。PS和PPS所用的配置時(shí)間幾乎相同，而PS的接口方式比較簡(jiǎn)單。PPA方式與PPS不一樣的地方是在進(jìn)行串行化處理時(shí)不需要配置外部時(shí)鐘的驅動(dòng)，但接口更復雜。邊界掃描方式在現場(chǎng)采用較少，通常用在計算機通過(guò)JTAG口實(shí)現一次性編程數據加載的調試中。 以上6種模式中被動(dòng)串行(PS)方式下FPGA與配置電路的互連最簡(jiǎn)單，對配置時(shí)鐘的最低頻率也沒(méi)有限制，因此常采用PS模式。本文采用單片機P89C61X2以PS模式對Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K20進(jìn)行配置，軟件采用MAX+PLUS II。 1 P89C61X2的功能特點(diǎn) P89C61X2器件采用高性能的靜態(tài)80C51設計，使用先進(jìn)的CMOS工藝制造，并包含非易失性Flash的程序存儲器，可通過(guò)并行編程或在系統編程(ISP)的方法進(jìn)行編程。支持6時(shí)鐘和12時(shí)鐘模式，相應地有2種速度范圍：6時(shí)鐘模式時(shí)，0～20 MHz；12時(shí)鐘模式時(shí)，0～33 MHz。 P89C61X2包含64 KB的Flast程序存儲器、1 024字節RAM、32個(gè)I／O口、3個(gè)16位定時(shí)／計數器、6中斷源-4中斷優(yōu)先級-嵌套的中斷結構、1個(gè)增強型UART、片內振蕩器和時(shí)鐘電路等。此外，器件的靜態(tài)設計使其具有非常寬的頻率范圍，甚至可以降低至零。P89C61X2具有兩種軟件可選的節電模式--空閑模式和掉電模式�？臻e模式時(shí)凍結CPU的運行，但允許RAM、定時(shí)器串口和中斷系統繼續保持其功能；掉電模式時(shí)保持RAM的內容，但凍結振蕩器，使其他片內功能都停止工作。由于是靜態(tài)設計，時(shí)鐘停止也不會(huì )使用戶(hù)數據丟失。操作可從時(shí)鐘停止點(diǎn)恢復運行。 P89C61X2的Flash存儲器增加了EPROM所沒(méi)有的電可擦除和編程特性，可以進(jìn)行芯片擦除和塊擦除。芯片擦除操作是將整個(gè)程序存儲區都擦除；而塊擦除可實(shí)現對任意Flash塊進(jìn)行擦除。對P89C61X2進(jìn)行在系統編程和標準的并行編程都是可行的。片內產(chǎn)生的擦除和寫(xiě)入時(shí)序為用戶(hù)提供了良好的編程接口。P89C61X2的Flash存儲器甚至在經(jīng)過(guò)10 000次擦除和編程之后仍能可靠地保存存儲器內容。使用+5 V的Vpp即可實(shí)現對其進(jìn)行擦除和編程。 2 配置原理和配置文件 用單片機通過(guò)PS模式配置FPGA，可以使用單片機的普通輸入／輸出(I／O)口(如圖1(a)所示)或串行口(如圖1(b)所示)來(lái)實(shí)現。配置中使用了FPGA的nCONFIG(配置控制位輸入端)、nSTATUS(配置錯誤指示位輸出端)、CONF_DONE(配置結束標志位輸出端)、DCLK(配置時(shí)鐘輸入端)、DATA0(配置數據輸入端)引腳等。nCEO引腳用于多個(gè)FPGA器件采用PS模式配置時(shí)，把第一片的nCEO連接到下一片的nCE引腳上。配置時(shí)若使用普通I／O口(如P1口)，向FPGA發(fā)送1位數據至少需要4個(gè)指令周期：一個(gè)指令給DATA0賦值，兩個(gè)指令產(chǎn)生DCLK時(shí)鐘，一個(gè)指令移位取數據。如果晶振頻率為fosc，一個(gè)指令周期為12／fosc，那么它的下載速率為fosc／48。如果采用串行口方式0，其下載速率提高為fosc／12。P89C61X2支持6時(shí)鐘模式，速度可以提高一倍。 
在配置過(guò)程中，nCONFIG低電位使EPF10K20復位，在由低到高的跳變過(guò)程中啟動(dòng)配置；加電后，EPF10K20驅動(dòng)nSTATUS引腳到低電位，然后釋放它(nSTATUS必須經(jīng)過(guò)1 kΩ電阻上拉到VCC，若配置期間出錯，EPF10K20將其拉低)，每個(gè)數據由最低位(LSB)先送出給DATA0，數據時(shí)鐘DCLK同時(shí)送到器件，直到CONF_DONE變高。在所有數據傳輸完后，對于FLEX10K和FLEX6000器件，DCLK必須多送10個(gè)DCLK脈沖；APEX20K器件必須多送40個(gè)DCLK脈沖。EPF10K20的CONF_DONE變高顯示配置成功，開(kāi)始初始化，最后進(jìn)入用戶(hù)模式，開(kāi)始正常工作。由于PS模式中沒(méi)有握手信號，因此配置時(shí)鐘的工作頻率必須低于10 MHz，如果想在配置中中止，可以?huà)鞌郉CLK。硬件描述語(yǔ)言生成的程序經(jīng)MAX+PLUS II編譯后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)后綴為.sof的SRAM目標文件。該文件除配置數據外還含有控制字符，不能直接寫(xiě)人到PLD中去，需要利用MAX+PLUS II的編程文件轉換功能。例如有些編程器支持.rbf文件。.rbf文件為原始二進(jìn)制文件，該文件包括所有的配置數據，配置文件的大小一般由它決定。1字節的.rbf文件有8位配置數據，每一字節在配置時(shí)最低位最先被裝載。不同系列的目標器件配置數據的大小也不同，如.rbf文件在FLEK系列中，EPF10K10為15 KB，EPF10K20為29 KB，EPF10K30為46 KB，EPF10K40為61 KB，EPF10K70為109 KB等。由于P89C61X2包含64 KB Flash程序存儲器，可以對除EPF10K70外的其他器件實(shí)現配置，而大干61 KB的FPGA器件可采用擴展存儲器的方法來(lái)實(shí)現。
MAX+PLUS II不自動(dòng)生成.rbf文件，須按照下面的步驟生成：①在MAX十PLUS II編譯狀態(tài)下，選擇文件菜單的變換SRAM目標文件命令；②在變換SRAM目標文件對話(huà)框中指定要轉換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf，然后確定。 針對單片機P89C61X2，可以通過(guò)在系統編程(ISP)的方法實(shí)現。這里采用廣州致遠電子有限公司開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)編程下載軟件ZLGICD。該軟件支持.hex文件。.hex文件為十六進(jìn)制文件，MAX+PLUS II編譯時(shí)會(huì )自動(dòng)生成該文件，如果沒(méi)有也可采用類(lèi)似產(chǎn)生．rbf文件的方法生成。 用P89C61X2來(lái)配置FPGA，需將引導配置代碼(.hex文件)和FPGA的配置數據(.hex文件)一起通過(guò)編程器寫(xiě)入P89C61X2。配置數據需要改變現有地址來(lái)讓引導程序調用，否則會(huì )造成沖突�？梢宰约壕帉�(xiě)一個(gè)小程序來(lái)實(shí)現此功能。注意.hex文件的格式。由于引導配置代碼不長(cháng)，通常小于1 KB，因此有足夠的空間來(lái)存放配置數據。 3 軟件設計 軟件編程時(shí)，本系統只用到了串行口移位寄存器的輸出方式，串行數據通過(guò)RXD引腳輸出，移位時(shí)鐘由TXD引腳輸出。當有一個(gè)字節數據寫(xiě)入串行數據緩沖器SBUF時(shí)，開(kāi)始發(fā)送。而串行口輸出方式本身就滿(mǎn)足配置時(shí)最低位(LSB)先送出的要求。下面給出用C語(yǔ)言編寫(xiě)的子程序： uchar fpga_config(uint Address){ uchar reconfig=0; uchar j; init; nconfig=0; delay-ms(1); nconfig= 1; reconfig++; while(1){ SBUF = CBYTE[Address++]; while(TI==0); TI=0; if(!nstatus){ delay_ms(10); goto init; if (reconfig >0x05) return 0; if (confdone){ for(j=0;j<5;j++){ SBUF = CBYTE[Address++]; while(TI==0); TI=0; } return 1; } } } 結 語(yǔ) 用P89C61X2單片機來(lái)配置FPGA，從價(jià)格上來(lái)看，要優(yōu)于EPC配置器件；從時(shí)間上來(lái)看，采用串行口方式0配置EPF10K20不到1秒鐘，而用單片機的普通輸入／輸出口方式要慢許多；從使用上來(lái)看，不擴展存儲器使電路連線(xiàn)更加簡(jiǎn)單。另外，單片機與FPGA優(yōu)勢相結合也給產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了更多更優(yōu)的選擇方案。 |
