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FPGA器件的在线配置方法

作者:时间:2011-07-07来源:网络收藏
摘要:介绍基于SRAM LUT结构的的上电方式;着重介绍采用计算机串口下载数据的和AT89C2051单片机、串行EEPROM组成的串行系统的设计及实现多任务电路结构中配置的,并从系统的复杂度、可靠性和经济性等方面进行比较和分析。
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结构的得到了广泛的应用。虽然这些应用广泛,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。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,实现配置成多种不同的工作模式。
图1
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。

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