基于CPLD+FLASH通用快速的FPGA配置方案*

袁 君，李治輝，姚 超

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于FPGA數據掉電丟失的問題，FPGA配置是系統設計中必不可少的部分[1]。隨著FPGA配置文件的增大，配置時間在系統啟動過程中所占的時間比例越來越不可忽視。如果FPGA設計中包含PCIE、SDIO等從設備，還必須在CPU啟動掃描設備前就配置完成并進入工作態，這時FPGA配置的速度尤為關鍵。實際應用中，每個項目選用的FPGA型號不盡相同，配置的相關參數也不同，但是FPGA的從模式配置時序卻基本一致[1]。為了保證足夠的配置速率和配置模塊的快速移植，針對嵌入式系統中CPU+FPGA的典型應用[2]，本文提出了一種基于CPLD+FLASH的通用、快速、全國產化的FPGA配置方案。該方案兼顧靈活性和通用性，對實際項目具有極大的參考價值。

1 方案架構

方案的系統組成如圖1所示。CPU與CPLD通信一般對速率不敏感，可通過SPI、I2C、LocalBus以及GPIO等簡單接口交互，幾乎每個系統的CPU都滿足條件。CPU不僅可以和CPLD通信，實現接口轉換或數據處理等邏輯功能，還可以通過CPLD內部的SPI FLASH控制器操作外部FLASH。CPLD讀取FLASH內的配置參數和數據，按照從模式配置接口的時序要求實現FPGA的配置。

圖1 方案原理架構

本方案主要有3個優點：

（1）通用性強。硬件設計和CPLD邏輯設計保持不變，CPU僅僅通過改變FLASH上存儲的數據格式，便可以實現不同FPGA芯片的程序配置，能夠快速應用于新項目，縮短項目開發調試周期。

（2）配置速度快。CPLD整個配置期間無需CPU干預，而且可以上電后立即啟動配置[3]，能夠最大程度地減少配置時間。

（3）靈活性高。支持CPU在線更新FPGA配置文件和配置參數，實時獲取配置狀態和結果，方便項目調試。

本著國產化的產品目標，兼顧成本和性能，設計中CPLD采用安路公司的ELF2L45。該器件具有4 500個LUT和700 kb的BRAM，足夠實現本方案的邏輯功能。FLASH型號選擇兆易創新的GD25Q系列，時鐘頻率高達104 MHz，不同存儲大小的型號能做到設計兼容。

2 FLASH數據存儲格式

當前市面上的主流FPGA（Xilinx、intel、安路、高云等）都支持從串、從并的配置方式，且遵循如圖2所示的配置時序波形。

圖2 FPGA從模式配置典型時序

不同型號的FPGA配置主要有復位脈沖時間T1、等待初始化完成的時間T2、等待時鐘和數據輸出的時間T3、配置文件長度L、比特序bs、字節序Bs、文件加載后DONE拉高前額外需要的CCLK數量N1、DONE拉高后啟動完成前額外需要的CCLK數量N2、配置接口數據位寬W等變化因素。

根據上述配置變量，方案中FLASH內部存儲的數據格式定義如圖3所示。第0個page用于存儲配置過程的變量，可隨著FPGA配置參數的變化靈活改變。其中，標記定義為常數，用于識別配置參數起始位置，并預留校驗和字段，用于驗證配置參數的正確性；文件長度包括配置文件后面的填充數據；CPLD在填充數據輸出期間繼續輸出時鐘和特定的數據，保證DONE拉高前FPGA能夠正常進入啟動過程；填充數據的最小長度PL可按PL=([N1/8]+1)×W計算。配置接口數據位寬W支持1 bit和8 bit兩種，足夠滿足實際應用。

3 CPLD設計與實現

3.1 原理框圖

如圖4所示，CPLD主要完成與CPU的數據通信，實現SPI FLASH控制器和FPGA配置控制等功能。

圖3 FLASH數據存儲格式

圖4 CPLD內部實現

主要有5個子模塊。第一，CPU通信接口。按照自定義協議與CPU進行數據收發，并進行通道的分流和合流。第二，SPI FLASH控制器，實現CPU和CPLD對外部FLASH的各種命令操作。第三，寄存器讀寫，提供RAM讀寫操作接口。第四，配置控制模塊，負責主動發起FLASH的讀請求和處理讀返回數據。第五，從配置接口，完成FPGA從配置時序的控制。

3.2 SPI FLASH控制器

SPI FLASH控制器支持兩個8 bit的FIFO通道訪問，按數據幀的方式仲裁和處理，實現過程如圖5所示。外部CPU實現FLASH的擦除、編程以及讀等操作。FLASH編程后置QE位，使能SPI接口的四線模式。CPLD實現配置期間FLASH數據的快速讀取。由于FLASH接口沒有流控，控制器輸入需要做整包處理，保證一幀寫數據能夠連續發往FLASH。控制器輸出緩存需預留足夠的空間，保證每次的讀數據完整不丟失。命令序列控制主要實現與FLASH交互的字節順序。SPI控制器完成并串轉換和SPI總線的時序控制。

圖5 SPI FLASH控制器實現

為優化CPLD資源占用，控制器僅支持讀ID、寫使能、讀寫狀態寄存器、擦除（扇區擦除、塊擦除、芯片擦除）、單線/四線讀和頁編程[4]命令。圖6是用安路開發軟件抓取到的FLASH四線讀操作時序。波形中可以看到8 bit位寬檢測碼0xBB11220044、同步字0xAA995566等標志性字段，讀數據是四線傳輸，但是命令、地址和dummy都是單線傳輸。考慮到該部分時間開銷，一次操作讀取的數據越長效率越高。此外，FLASH的SPI接口時鐘頻率應滿足條件：

圖6 邏輯分析儀捕獲的FLASH四線讀操作波形

3.3 內部寄存器

考慮到設計的靈活性和調試的便捷性，CPLD內部定義以下5個和配置相關的通用寄存器。

寄存器1：讀FLASH起始page，默認page0。

寄存器2：配置啟動信號，CPLD自清零。

寄存器3：配置結束標志和配置結果，包含錯誤狀態。

寄存器4：配置文件長度，從FLASH中讀取的參數值。

寄存器5：當前配置已輸出的數據長度。

當FLASH上存儲多份配置數據時，可通過寄存器1選擇當前配置的版本。如果系統對FPGA上電配置時間有要求，可以修改寄存器2的默認值使能配置啟動。CPLD上電后會立即開始FPGA的配置，不占用CPU的啟動時間。CPU啟動后還可以寫寄存器2觸發在線配置。CPLD開始配置后自動清零該寄存器。配置過程中，CPLD實時更新寄存器5。CPU任意時刻都可以讀相應的寄存器判斷配置狀態和進度，實時獲取配置結果，定位配置失敗原因，在項目調試和問題排查中極為方便。

3.4 配置流程

根據上述原理，CPLD的配置邏輯按照圖7的流程圖設計。上電自動啟動配置或者CPU命令啟動配置都會觸發該流程。每次配置CPLD先主動讀FLASH的控制參數page，獲取本次配置所需要的參數，隨后只要緩存空間足夠，就繼續讀取FLASH的配置數據，且地址依次遞增直到累計讀取長度達到配置參數L。讀返回數據寫入一個位寬8 bits、深度1 024 words的異步FIFO中。寫入前需根據bs進行比特序調整，根據W進行位寬轉換。從串模式下，FIFO中只有最低比特有效。異步FIFO采用showahead模式，初始化完成再等待T3時間后開始讀FIFO。只要FIFO非空即讀，同時將讀數據輸出到DATA。讀時鐘取反后輸出到DCLK，保證時鐘上升沿處于數據最佳采樣窗口。FIFO空時，DCLK和數據都輸出低電平。配置數據輸出完成后檢測到DONE拉高，再根據配置參數N2繼續輸出時鐘，然后結束本次配置。無論配置是否成功，CPLD都會將配置結果記錄在寄存器中。

圖7 CPLD內部狀態跳轉示意

4 實測與分析

本文以FPGA型號為復旦微電子公司的JFM7K325T為例[5]，配置文件約11 MB，FLASH接口的SPI時鐘頻率fQSPI為50 MHz，每幀讀取一頁，配置接口時鐘頻率fDCLK為25 MHz，數據位寬W為8 bit。

圖8 邏輯分析儀捕獲的CPLD配置過程波形

CPLD完成一次成功的配置需經歷圖8中的5個步驟。其中，cfg_timer記錄配置FPGA所消耗的時間，波形中顯示的是十進制；計數的時鐘為25 MHz；CPLD從啟動配置到DONE管腳拉高大約需要522 ms；CPU完全能在BOIS階段掃描到FPGA實現的從設備，滿足項目對配置時間的要求。如果提高SPI時鐘速率、配置位寬、配置時鐘頻率和每幀從FLASH讀取的數據長度等，配置時間還可進一步縮短。

5 結語

針對CPU+FPGA的應用架構，提出一種基于CPLD+FLASH的FPGA配置方案。該方案的硬件和邏輯設計通用性高，可以實現模塊化，便于項目移植且配置速率高，滿足系統啟動要求。CPU還可以靈活更新配置內容，調試和升級方便。該方案具有可行性，已成功應用于多個實際項目，為工程實踐提供了良好的借鑒。