FPGA器件的在线配置方法
引 言
在当今变化的市场环境中，产品是否便于现场升级，是否便于灵活使用成为产品能否进入市场的关键因素。在这种背景下，Altera公司的基于SRAM LUT结构的FPGA器件得到了广泛的应用。虽然这些器件应用广泛，但由于其内部采用SRAM工艺，它的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM的易失性，每次系统上电时，必须重新配置数据，即ICR(In-Circuit Reconfigurability)，只有在数据配置正确的情况下系统才能正常工作。在线配置方式一般有两类：一是通过下载电缆由计算机直接对其进行配置，二是通过配置芯片对其进行配置。通过PC机对FPGA进行在系统重配置，虽然在调试时非常方便，但在应用现场是很不现实的。上电后，自动加载配置对FPGA应用来说是必需的。Altera公司提供的配置芯片有一次可编程型和可擦除编程型两种：一次可编程型芯片只能写入一次，不适合开发阶段反复调试、修改及产品的方便升级；可擦除编程型价格昂贵，且容量有限，对容量较大的可编程逻辑器件，需要多片配置芯片组成菊花链形进行配置，增加系统设计的难度。
为了降低成本，目前在开发阶段多用可擦除型配置芯片；最终产品用不可擦写的配置芯片，但一次简单的代码更换就需要更换一次器件，这在产品升级时很不实用。至今还没有低成本的配置芯片出现，而我们采用的这套配置方案充分考虑了在FPGA实际使用中，对设计的保密性和设计的可升级的要求，不但可以实现代替价格昂贵的不可擦写和可擦写配置芯片，而且可以实现多任务电路结构重配置。该方案有PC机控制程序、单片机和外部串行存储器组成，只要通过替换外部串行存储器，就可实现对不同容量的多种配置芯片的代替。PC机是用来将配置数据写入存储器的，在写好数据后该配置系统不再需要PC机的控制，在单片机的控制下实现ICR或多任务电路结构重配置。多任务电路结构重配置即将多个配置文件分区存储到外部存储器中，然后由单片机接收不同的命令，以选择读取不同存储器区的数据下载到FPGA器件，实现在线配置成多种不同的工作模式。
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
Altera公司生产的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它们的配置方式可分为PS（被动串行）、PPS（被动并行同步）、PPA（被动并行异步）、PSA（被动串行异步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五种方式。这五种方式都能适用于单片机配置。PS方式因电路简单，对配置时钟的要求相对较低，而被广泛应用。我们的配置方案也采用PS配置方式来实现ICR功能，图1是PS配置方式的时序图。 ![]() 被动串行工作过程：当nconfig产生下降沿脉冲时启动配置过程，在dclk上升沿，将数据移入目标芯片。在配置过程中，系统需要实时监测，一旦出现错误，nSTATUS将被拉低，系统识别到这个信号后，立即重新启动配置过程。配置数据全部正确地移入目标芯片内部后，CONF_DONE信号跳变为高，此后，DCLK必须提供几个周期的时钟（具体周期数与DCLK的频率有关），确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。
Altera的MAX+PLUS II或Quartus II开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方法的配置系统，而对于不同系列的目标器件配置数据的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf文件决定。.rbf文件即二进制文件。该文件包括所有的配置数据，一个字节的 .rbf文件有8位配置数据，每一字节在配置时最低位最先被装载。微处理器可以读取这个二进制文件，并把它装载到目标器件中。Altera提供的软件工具不自动生成 .rbf文件，须按照下面的步骤生成：① 在MAX+PLUS II编译状态，选择文件菜单的变换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)，然后确定。
2 配置电路结构和原理
2.1 串行通信的电路结构和原理
PC机与单片机的接口如图2所示。AT89C2051单片机通过串行口直接接收PC机传送来的串行数据，然后把接收到的数据存入数据存储器。由于PC机的串行口都是RS-232C标准的接口，所以，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89C2051在接口时会产生电平不同的问题。为了解决这个问题，在PC机和单片机的串行通信电路中加入了MAX232芯片，以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换。这样PC机和AT89C2051单片机进行串行通信时就可以顺利进行了。除了电路结构之外，要实现PC机和AT89C2051之间的通信，还需要有合适的通信软件。 ![]()
2.2 ICR控制电路原理
ICR电路原理如图3所示。AT24C256用来存储FPGA的配置数据。
ICR控制电路的工作过程为：经MAXPLUS II编译生产的配置文件(.sof)通过格式转换成为 (.rbf)。然后，利用PC机端的控制程序，通过PC机的串行通信口，经U1存储在U2中。U1再根据系统的要求，通过P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5个I/O口，将其存储在U2中的配置数据下载到电路中的FPGA器件中去。
因作者设计电路中的FPGA是Altera公司的FLEX系列的EPF10K10，其配置文件的容量为15KB，故电路中采用1片AT24C128就可存储EPF10K10的配置数据。我们选用AT24C256器件可以存储两个配置文件，是为了实现多任务电路重构，此时整个ICR控制电路只有2片IC。可以说，它是目前结构最简单、成本最低的ICR控制电路。如果配置的FPGA是EPF10K30或更大门数的器件，则需要大容量的存储器件或多片AT24C256。（在两线串行总线上最多可接4片AT24C256。）
3 软件设计
在该配置方案中，软件包括在PC机端的控制软件和在AT89C2051端的控制软件两部分。PC机端的软件采用Visual Basic语言编程，而AT89C2051采用汇编语言进行编程。
3.1 PC机端的软件
PC机端的软件采用Visual Basic语言编程。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，而且可以十分简便地作出良好的人机界面。PC机端的控制程序主要实现读取.rbf文件并将其通过串口送出的功能。读取文件时，主要使用读取二进制文件命令。在串口通信方面，使用VB提供的具有强大功能的串口通信控件MSCOMM。该控件可设置串口状态及串口通信的信息格式和协议。
在实际工作中，要实现AT89C2051和PC机之间的有效通信，必须使其具有相同的波特率和相同的通信协议。作者采用了9600bps的波特率和N.8.1帧结构。N.8.1帧结构表示1帧串行数据有10位：起始位占用1位（低电平），用来表示字符开始；后8位为数据编码，无奇偶校验位；最后为停止位（高电平），用来表示字符传送结束。单片机的串行口工作在方式1。方式1是标准的10位异步通信方式，10位数据和PC机的标准串口相对应，传送的波特率由单片机工作时钟和T1的溢出率共同决定。
3.2 ICR控制电路软件
在图3介绍的ICR控制电路中，其存储FPGA配置数据的存储器 AT24C256采用I2C串行总线进行数据交换。其数据交换速度较慢，而FPGA配置数据又比较大，因此如何提高图3介绍的ICR控制电路的配置速度将是软件设计上的一个重点。限制速度的瓶颈主要是从AT24C256读取数据和将数据写入FPGA器件中。从AT24C256读取数据，有读当前地址、随机读和顺序读三种方式。这三种方式中，顺序读最简单、速度最快。因为在同一片AT24C256中，仅需要写入一次读命令就可以按顺序从0地址开始直至读完整片AT24C256中的全部数据。向FPGA器件写数据时，可以使用串行口的移位寄存器工作方式，即方式0。方式0数据的传送以8位为1帧，无论是发送或是接收都是最低有效位居先。这和FPGA对数据的要求一致，传送的波特率固定为振荡频率的1/12。本系统只需用到输出方式，串行数据通过RXD端输出，而用TXD端输出移位脉冲。当1字节数据写入串行数据缓冲器SBUF时，就开始发送。在此期间，发送控制器送出移位信号，使发送移位寄存器的内容右移1位，直至最高位(D7位)移出后，停止发送数据和移位时钟脉冲。发送完1字节数据后，硬件置发送标志位TI为1，通过判断TI的状态决定是否向SBUF写入数据。采用这种方式比采用普通（I/O）口要快很多。
![]() 4 结 论
我们设计的基于微控制器的FPGA器件的 ICR控制系统，具有线路结构简单、开发容易、体积小、成本低的优点；可以支持3.3V和5V系统的配置；适用于需要ICR功能的电子装置中。该ICR控制电路是为配置Altera公司FLEX系列的FPGA器件而设计的，稍加修改也适用于其它系列的FPGA器件。这个配置电路的主要弱点在于配置速率较慢，只能适用于配置速率要求不高的应用。
王玉化：工程师，研究方向EDA技术和嵌入式可编程系统。
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