Ｃｙｃｌｏｎｅ ＦＰＧＡ配置模式及應用

摘要:本文主要通過介紹Cyclone系列FPGA器件的配置方案，主要闡述了低成本專用配置芯片的主動串行(AS)配置方案以及基于微處理器的被動串行(PS)配置方案的配置過程。介紹了如何結合工程設計選擇配置方案，改變現在的任意選擇配置方案的現象。提出一種實時解壓數據減少貯存要求和配置時間的配置方案，這些方案在工程項目中具有很高的實際應用價值。

關鍵詞:CycloneFPGA配置模式主動串行被動串行

0 引言

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA技術廣泛應用于通訊、視頻、信息處理等特定領域。FPGA主要生產廠商有Altera、Xilinx、Actel和Lattice，對比不同的FPGA編程技術特點，綜合各個廠家不同系列器件的技術優勢、邏輯資源、器件功耗、芯片速度、供貨、價格和系統要求等諸多因素考慮，在很多項目設計中采用Altera 公司基于SRAM架構Cyclone系列器件。Cyclone器件與其他FPGA器件一樣是基于門陣列方式為用戶提供可編程資源的，其內部邏輯結構的形成是由配置數據決定的。這些配置數據可通過多種模式加載到FPGA內部的SRAM中，由于SRAM的易失性，每次上電時，都必須對FPGA進行重新配置。

1 Cyclone FPGA 配置模式

Cyclone系列FPGA器件配置方案主要有三種，包括使用低成本配置芯片的主動串行(AS)配置、被動串行(PS)配置以及基于JTAG配置，實際應用時可以使用其中的一種方案配置Cyclone系列FPGA器件，來實現用戶編程所要實現的功能。

Cyclone系列FPGA器件是用SRAM單元配置數據的。由于SRAM掉電后容易丟失數據，配置數據必須即時地下載到上電的Cyclone器件中。不同的配置模式可采用不同的專用配置芯片或數據源，如表-1所示。

這三種配置模式是由Cyclone器件的模式選擇引腳 MSEL1和 MSEL0的高低電平來決定的，如表-2所示。如果你的實際應用只要求單一的配置模式，可以把模式選擇引腳連接到VCC端或接地端在切換引腳的過程中，器件的運行狀態不會被影響。不管怎樣，在重新配置之前，必須保障模式選擇引腳的電平是有效的。

2 配置芯片的主動串行(AS)配置

在AS配置模式中，利用了新型低成本器件(如EPCS1、EPCS4)，這種專用配置芯片是帶有永久性存儲器和四個引腳簡單接口的串行配置器件，由于它的成本較低，可以解決配置器件成本高的問題。串行配置芯片提供一個串行接口去存取數據。在配置期間，Cyclone FPGA通過串行接口讀取數據，如果有需要的話，對數據進行解壓以及配置FPGA的SRAM單元。此模式是由FPGA去控制配置接口的，這種方案稱為主動串行配置，簡稱AS配置。采用AS模式配置一個Cyclone FPGA器件的原理圖如圖1所示。

專用串行配置芯片可選用EPCS1或EPCS4，其中EPCS1的存儲空間是1Mbits， EPCS4存儲空間是4Mbits ，設計者可根據配置文件的大小進行選擇。主動串行配置芯片的主要配置引腳如下圖2所示。

DCLK，串行時鐘輸入端，來自Cyclone FPGA器件，提供串行接口時鐘;DATA，串行數據輸出端，在DCLK下降沿讀出數據;ASDI，控制信號輸入端，在DCLK上升沿鎖存數據;nCS，使能輸入端，低電平有效。

在系統上電期間，兩芯片進入到上電復位階段。當一旦進入上電復位，nSTATUS端為低電平，正在復位;同時CONF_DONE端為低電平，芯片還沒有被配置。復位后，延遲100ms，FPGA釋放nSTATUS端，由于上拉電阻的作用，該端變為高電平，此時進入到配置狀態。一旦退出復位，所有用戶I/O端進入三態狀態。時鐘信號DCLK是由FPGA內部產生的，用來控制整個配置循環以及為配置芯片串口電路提供時鐘，時鐘信號的頻率范圍在14MHZ至20MHZ之間。當DCLK下降沿到來時，使FPGA輸出控制信號以及使配置芯片輸出配置數據;當DCLK上升沿到來時，使FPGA鎖存配置數據以及使配置芯片鎖存控制信號。在所有配置數據被接收后，FPGA釋放CONF_DONE端，通過10K的上拉電阻置為高電平，開始進入初始化階段。Cyclone FPGA器件需要136個時鐘周期嚴格地進行初始化。然后開始進入用戶狀態，這時INIT_DONE引腳跳變到高電平。

3 基于單片機的被動串行(PS)配置

圖3為采用微處理器的Cyclone FPGA被動串行配置方案的簡化電路圖。單片機配置過程很簡單，單片機只需用5個I/O口與FPGA相連這5根信號線分別是:DATA0、DCLK、nCONFIG、nSTATUS和CONF_DONE。

具體配置過程如下:①nCONFIG=0 、DCLK=0，保持2us以上;②檢測nSTATUS，若為0表明FPGA已響應配置要求，可開始進行配置，否則報錯。正常情況下，nCONFIG=0后1us內nSTATUS將為0;③nCONFIG=0，并等待5us;④DATA0上放置數據，DCLK=1，延時;⑤DCLK=0，檢測nSTATUS，若為0，則報錯并重新開始;⑥準備下一位數據，并重復執行(4)、(5)，直到所有數據送出為止;⑦此時CONF_DONE應變為1，表明FPGA的配置已完成。若所有數據送出后，CONF_DONE不為1，必須重新配置;⑧配置完成后，則送出若干個周期的DCLK，以使FPGA完成初始化。

值得注意的是，用MAX+PlusⅡ或QuartusⅡ生成的SOF或POF文件不能直接用于單片機配置FPGA，需要進行數據轉換才能得到可用的配置數據。在MAX+PlusⅡ或QuartusⅡ中，都有數據轉換選項，將.SOF文件轉換為.rbf文件，然后再將.rbf文件直接寫入單片機系統的某一ROM或Flash區域，這段數據的起始地址和長度都是已知的，按以上過程編寫相應軟件即可。

4 配置數據壓縮方法

Cyclone器件是一種支持解壓配置數據的FPGA器件，允許存儲在配置芯片或其他存儲器的配置數據是經壓縮處理的數據，在配置期間，這此壓縮數據發送到Cyclone器件中即時被解壓并對SRAM單元進行編程。AS配置模式和PS配置模式都可支持壓縮方式，但基于JTAG配置模式卻不支持壓縮方式。初步數據表明壓縮可減少35﹪至60﹪的配置數據位流，可減少數據的存儲空間和傳輸速度以及配置設備的成本。

QuartusⅡ能生成帶壓縮的配置文件，可減少配置芯片和flash閃存空間及位流的傳送時間。下面以QuartusⅡ5.1版為例介紹兩種壓縮配置文件的操作方法。

4.1 方法一:設計程序編寫前在項目程序設置中激活壓縮。

首先在Assignments菜單下點擊Device項，彈出Settings窗口， 然后在Family選項中選擇Cyclone器件，點擊下面的DevicePin Options彈出窗口，再選擇Configuration窗口點擊Generate Compressed bitstreams選項，最后按確定鍵結束設置。

4.2 方法二:設計程序編寫后從Convert Programming Files窗口創建程序文件激活壓縮。

首先下拉File 菜單，點擊Convert Programming Files 彈出窗口，選擇文件類型Programming File type(POF，SRAM HEXOUT，RBF，orTTF)，然后為POF output files，選擇配置器件，再選擇Add File 添加一個Cyclone SOF 文件，選擇文件名加入到SOF Data 區，單擊Properties選項，再確定，最后按Generate鍵生成。

5 結束語

串行配置方法的硬件電路簡單、配置過程軟件實現比較容易、工程應用方便。Cyclone 系列的FPGA器件邏輯資源、芯片速度等技術參數能夠達到項目要求，性價比高，而且還有一定的擴充性。此種FPGA 的配置實現方法也適用于和其它CPU結合，應用于其它場合，只要嚴格按照軟硬件的配置要求即可，因此在實際應用中具有參考價值。如今，CPLD/FPGA 已經成為數字系統開發的平臺，并且以后將朝著高集成度、大容量、低成本、低電壓、低功耗、資源多樣化、適用于片上系統(SOC)、深亞微米工藝、各種軟硬IP 庫、動態可重構技術實用化等方面不斷完善和提高。

參考文獻:

[1]Cyclone 器件數據手冊(第一卷)、串行FLASH配置芯片(EPCS1或EPCS4)數據手冊.

[2]李新紅.FPGA配置及Cyclone 系列PS 模式的工程應用[J].第14 卷第4 期北京電子科技學院學報2006 年12 月.

[3]溫淑鴻，崔慧娟.ALTERA FPGA在微處理器系統中的在應用配置[J].電子技術應用.