FPGA实战开发技巧（11）

5.5.4 从串配置模式

在串行模式下，需要微处理器或微控制器等外部主机通过同步串行接口将配置数据串行写入FPGA芯片，其模式选择信号M[2:0]=3’b111。典型的Spartan 3E系列FPGA单片配置电路如图5.5.11所示。DIN输入管脚的串行配置数据需要在外部时钟CCLK 信号前有足够的建立时间。其中单片FPGA 芯片构成了完整的JTAG链，仅用来测试芯片状态，以及支持JTAG 在线调试模式，与从串配置模式没有关系。外部主机通过下拉PROG_B启动配置并检测INIT_B 电平，当INIT_B 为高时，表明FPGA 做好准备，开始接收数据。此时，主机开始提供数据和时钟信号直到FPGA 配置完毕且DONE 管脚为高，或者INIT_B 变低表明发生配置错误才停止。整个过程需要比配置文件大小更多的时钟周期，这是由于部分时钟用于时序建立，特别当FPGA 被配置为等待DCM锁存其时钟输入。

图5-32 FPGA从串配置电路示意图

此外，从串配置模式也可配置多片FPGA芯片，典型的两片Spartan 3E系列FPGA的从串配置电路如图5-33所示。所有芯片的CCLK信号都有主控设备提供，靠近主控设备的FPGA要充当桥梁的作用，将配置数据转发到第二个FPGA芯片。可以看到采用从串配置的好处主要在于节省电路板面积，并使得系统具备更大的灵活性。

图5-33 多片FPGA从串模式配置电路

5.5.5 JTAG配置模式

1．JTAG配置电路

赛灵思公司的FPGA芯片具有IEEE 1149.1/1532协议所规定的JTAG接口，只要FPGA上电，不论模式选择管脚M[2:0] 的电平，都可用采用该配置模式。但是将模式配置管脚设置为JTAG模式，即M[2:0]=3’b101时，FPGA芯片上电后或者PROG_B管脚有低脉冲出现后，只能通过JTAG模式配置。JTAG模式不需要额外的掉电非易失存储器，因此通过其配置的比特文件在FPGA断电后即丢失，每次上电后都需要重新配置。由于JTAG模式已更改，配置效率高，是项目研发阶段必不可少的配置模式。典型的Spartan 3E系列芯片的JTAG配置电路如图5-34所示。

图5-34 JTAG模式配置电路示意图

5.5.6 System ACE配置方案

随着FPGA成为系统级解决方案的核心，大型、复杂设备常需要多片大规模的FPGA。如果使用PROM进行配置，需要很大的PCB面积和高昂的成本，因此很多情况下都利用微处理由从模式配置FPGA芯片，但该配置方案容易出现总线竞争且延长了系统启动时间。为了解决大规模FPGA的配置问题，赛灵思公司推出了系统级的System ACE(Advanced ConfiguraTIon Environment) 解决方案。

System ACE可在一个系统内，甚至在多个板上，对赛灵思的所有FPGA进行配置，使用Flash存储卡或微硬盘保存配置数据，通过System ACE控制器把数据配置到FPGA中。目前，System ACE有System ACE
CF(Compact Flash)、System ACE SC(Soft Controller) 以及System ACE MPM(MuTI-Package Module) 三种。读者需要注意的是：System ACE SC/MPM 是和System ACE CF 独立的解决方案。典型的ACE 接口以及系统组成如图5-35 所示。

图5-35 典型的ACE接口以及系统组成示意图

1．System ACE CF解决方案

System ACE CF的核心是System ACE CF存储设备和System ACE控制器芯片。System ACE CF存储设备包括赛灵思的ACE Flash卡或其它厂家的Compact Flash卡以及IBM的微硬盘。Compact Flash卡的容量为32MB~4GB，微硬盘的容量为2GB~6GB，至少可配置数百片FPGA芯片。

System ACE CF控制器提供了存储单元和FPGA器件之间的接口，PC和存储器的标准JTAG接口。控制器芯片默认的配置模式也是通过边界扫描的方式将数据配置到FPGA 链中，同样可由边界扫描链的测试和编程接口来辅助进行系统原形的调试，其主要特点有：

- 支持赛灵思所有FPGA芯片的配置；
- 以最小的PC板空间实现多达8Gb的配置 ；
- 包括高达152Mbps的配置速率；
- 利用带有嵌入式处理器核的FPGA进行系统调节；
- 管理多个比特流( 全部或部分)，并按需要对其进行激活；
- 包含处理器核初始化；
- 软件存储加密；
- 可移动存储器件；
- 降低了定制配置系统的成本，支持大多数 CompactFlash卡，包括Microdrive单元；包含内置式微处理器接口，可以直接调整FPGA配置；释放设计资源。

图5-36 System ACE CF配置电路示意图

Compact Flash接口是ACE控制器的关键接口，可连接Compact Flash卡、标准的Compact Flash模块以及IBM微硬盘。Compact Flash可以进行拆卸，因此对存储内容进行修改和升级以及更换容量都非常方便。Compact Flash接口由Compact Flash控制器和Compact Flash仲裁器两部分组成。由System ACE CF配置FPGA的接口电路如图5-36所示。

2．System ACE SC解决方案

System ACE SC为用户提供了自主性，用户可以自由地选择每一部分的元件，可将其置于电路板的任何位置，且所有的功能在一个独立的FPGA中完成，并不需要整合其他组件。System ACE SC有4个主要接口：边界扫描JTAG接口、系统控制接口、Flash存储器接口以及FPGA 接口，如图5-37所示。

图5-37 System ACE SC接口示意图

其中JTAG接口主要提供边界扫描测试和对具有JTAG接口的Flash存储器通信；Flash接口主要和外边的Flash芯片通信，读取存储器内的内容以及对存储器进行编程；系统控制接口主要提供输入时钟、配置控制信号和配置状态信号等；FPGA 接口主要用于配置FPGA，可通过从串、从并以及Selec tMAP等配置模式。

System ACE SC和System ACE CF的主要区别在于，System ACE SC的控制器是一个软核逻辑，而不是芯片，需要和设计一起下载到FPFA中。其余区别如表5-4所列。

表5-4 System ACE CF和System ACE SC的区别

典型的System ACE SC 配置电路如图5-38 所示。

图5-38 System ACE SC配置电路示意图

3．System ACE MPM解决方案

System ACE MPM是一个整合的组件解决方案，包括FPGA和PROM组成的配置控制组件和一个Flash存储组件，并封装为一个模块，通过尽可能少的组件来实现配置电路。赛灵思公司有16M、32M 以及64M位低密度的System ACE MPM。System ACE MPM 有4 个主要接口，和System ACE SC 的接口一样，其特征和功能也与System ACE SC 一样。二者的区别在于：System ACE MPM 封装了整个配置模块，而System ACE SC 允许用户自行配置，其接口电路如图5-39 所示。

图5-39 System ACE MPM接口电路示意图

System ACE MPM是赛灵思公司第一个支持位流压缩的配置方案，支持多种配置模式，同时可多达8个FPGA链的从串配置模式和多达4个FPGA的Select MAP配置模式，最大配置速率为152Mbps，同时又可最大限度地减小电路板空间和连线。典型的System ACE MPM 配置电路如图5-40所示。总之，System ACE技术简化了大型FPGA 系统的配置方案，令开发人员将精力主要集中在系统性能的提高和开发时间的缩短。

图5-40 System ACE MPM配置电路示意图