基于单片机的FPGA并行配置方法

刘工在呢

摘要:讨论了基于SRAM技术的可编程逻辑器件FPGA的编程方式，并以ALTERA公司
' Z: m, y' l! y7 x' y4 qFLEX10K系列器件为例，提出了一种利用单片机AT89C52对FPGA 进行在线PPA(被动并行异步)配置
6 \2 q$ `5 T* O的实用方法。实践表明,用单片机对FPGA进行并行配置,具有配置时间短、准确率高、易于实现等优
/ k% I+ d$ [1 ^# J$ K点,该方法可以广泛地应用于不同领域。
, M9 L& d- P$ f3 }' C" g+ m
; h; O. |1 }# G1 E9 C0 ?' z关键词:单片机PPA FPGA 配置
: }7 ]; F! g" f7 ]
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,已成为产品能否进入市场的关.
7 x  Q1 i4 y0 |, c8 j键因素。在这种背景下。Altera公司的基于SRAM LUT结
; i* H9 U$ _& ^, A4 ~' _. t# I" q# b构的FPGA器件得到了广泛的应用。这类器件的配置数
据存储在SRAM中。由于SRAM的掉电易失性,系统每
0 m: g$ v2 K4 H$ _6 m$ v! H次上电时, 必须重新配置数据,只有在数据配置正确的
" s( S( t* S: D情况下系统才能正常工作。这种器件的优点是可在线重
6 p6 u) A$ q7 i1 |' g新配置ICR(In- Cirecuit Reconfiguability), 在线配置方式一
6 Z: Z! U9 W2 a5 C" g般有两类:一是通过下载电缆由计算机直接对其进行配
1 b" l7 S' N# v7 [3 q& N- T: d" a置;二是通过微处理器对其进行配置。前者调试时非常
) R1 }6 `1 K5 `. T( q方便,但在应用现场是很不现实的。因此,如果系统重新
上电时,系统本身具有自动加载可编程逻辑器件的编程.
文件,完成对可编程逻辑器件的配置,就可以省去了通
9 \6 P4 |0 y7 I% A* I& B过手工由下载电缆对器件进行配置的过程。这种自动加
; ^3 z* a7 I5 V/ u载配置对FPGA的某些应用来说是必需的,在笔者参与
. G/ g9 R8 s9 e研制的一种干扰系统中，利用单片机AT89C52对
FLEX10K系列FPCA中的EPF10K10进行在线并行配
, A. @( f+ M& `1 u: G置,取得了良好的效果。
8 Q2 s: s7 E5 S: k# F1 FPGA器件的配置方式和配置文件
1.1 FPGA器件的配置方式
# q. b/ [3 P: X! k6 HALTERA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).
$ n9 x+ e1 X: u9 U! G3 UPPA ( 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。相比而言,采用PPA配置的
) |, v! t+ F! d* [' I方案却很少见到。但由于PPA配置模式为并行配置,其
( X; j+ u2 w# |: p3 f/ W配置速度快，且配置时钟由FPCA内部产生(而PS
等配置模式需要外加配置时钟),故其更有利于在
7 p( K2 n7 {+ v: \+ x& S线实现。本文的配置方案便是采用PPA配置方式
2 P( ~2 X$ B0 Q" |- t% f$ T实现的。
1.2 FPGA器件的配置文件
% g, H' ^4 `1 |5 H* v2 cALTERA的MAX+PLUS I1开发工具可以生成
& r, L% S4 t0 S多种配置或编译文件，用于不同配置方法的配置
  r; ^7 G0 \- c% S( ~系统。对于不同的目标器件,配置数据的大小不同,配置
1 G: ~  ?. R) a4 x文件的大小一般由.tbf文件(即二进制文件)决定。本实
例中, EPF10KI0的配置文件.rbf的大小为15K。该文件
包括所有的配置数据，一个字节的.rhf文件有8位配置
数据。由于Altem提供的软件工具不自动生成.rb文件，
故文件需按照下面的步骤生成:①在MAX+PLUS II编
译状态下，选择文件菜单中的变换SRAM目标文件命
& e7 M/ w9 B9 d7 s) P( z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.rb(Sequential),之后予以确
定。
2硬件电路设计
$ D8 q9 t! @. y4 j4 f; ZAT89C52对EPF10K10 并行配置的硬件电路示意图
如图1所示。经MAX+PILUS II 编译生成配置文件(sof),通过
格式转换成为(tbf)文件并存储在图中所示的存储器中。
$ w: A& K$ V8 r6 }( x" P6 S( [2 [当使用PPA配置方式时，需要将MSELI和MSELO置为
1 @5 u3 {$ _( Q; M& M. ~! w高电平。为了不使DCLK出现不确定信号,必须将其经
过1k0电阻上拉到Voc。在采用PPA配置方式时.nCS
和CS两个片选信号只需用一个。
$ a( r% _  a/ ~) M  v+ S! q
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ALTERA公司生产的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000，FLEX10K、APEX和ACEX等系列