使用AVR單片機(jī)配置FPGA

Altera公司的ACEX、FLEX等系列的FPGA芯片應(yīng)用廣泛，但其FPGA基于SRAM結(jié)構(gòu)，決定電路邏輯功能的編程數(shù)據(jù)存儲于SRAM中。

由于SRAM的易失性，每次上電時(shí)必須重新把編程數(shù)據(jù)裝載到SRAM中，這一過程就是FPGA的配置過程。FPGA的配置分為主動式和被動式。在主動模式下，F(xiàn)PGA上電后主動將配置數(shù)據(jù)從專用的EPROM(如EPC1，EPC2等)加載到SRAM中。被動模式下，F(xiàn)PGA為從屬器件，由相應(yīng)的控制電路或微處理器控制配置過程，包括通過下載電纜由計(jì)算機(jī)控制配置和單片機(jī)模擬配置時(shí)序配置。其中，專用的EPROM價(jià)格高，可編程次數(shù)少，而計(jì)算機(jī)配置在現(xiàn)場應(yīng)用中又很不現(xiàn)實(shí)，因此本文提出一種基于AVR單片機(jī)的被動配置方式。由于AVR系列單片機(jī)的內(nèi)嵌閃存的容量為8～128kB，可容納中小規(guī)模(10萬門以下)FPGA的配置文件并進(jìn)行配置，另外還可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)配置。以下將以FLEX10K10為例，介紹單片機(jī)對FPGA的雙任務(wù)配置。

ATmega系列單片機(jī)

ATMEL公司的ATmega系列單片機(jī)根據(jù)片內(nèi)閃存的大小分為ATmega8、ATmega32、ATmega128等。本設(shè)計(jì)采用的是ATmega32，該單片機(jī)片內(nèi)含16K×16共32KB的片內(nèi)可編程ROM，可擦寫10 000次，能裝載2萬門以內(nèi)FPGA的配置數(shù)據(jù)，最高性能可達(dá)16MIPS，可在最短的時(shí)間內(nèi)完成FPGA的配置。如需要配置門數(shù)更高的FPGA，可采用MEGA128。

硬件電路設(shè)計(jì)

ATmega32內(nèi)含32KB的閃存，F(xiàn)PGA為FLEX10K10，其配置文件的大小為15KB，因此該方案可實(shí)現(xiàn)雙任務(wù)配置。硬件連接上，采用單片機(jī)配置模式時(shí)，須將FLEX10K10的MESL0、MESL1、nCE接地，同時(shí)將nCONFIG、DCLK、DATA0、nSTATUS、CONF_DONE分別與MEGA32的PA0～PA4相連。MEGA32的I/O口均是可編程的，根據(jù)需要將PA0、PA1、PA2設(shè)置為輸出口，PA3、PA4設(shè)置為輸入口。另外，需在單片機(jī)的PB0、PB1上連接兩個(gè)按鍵以選擇配置任務(wù)。具體電路如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

配置方式

Altera公司FPGA器件的配置方式主要有AS(主動串行方式)、PS(被動串行方式)、PPS(被動并行同步方式)、PPA(被動并行方式)和JTAG(邊界掃描方式)，使用單片機(jī)對FPGA進(jìn)行配置主要是采用單片機(jī)來模擬PS方式的時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)FPGA器件的配置。

被動串行方式的工作過程如下：配置時(shí)需要五個(gè)引腳，其中nCONFIG、DCLK、DATA0為單片機(jī)的輸出引腳，nSTATUS、CONF_DONE為單片機(jī)的輸入引腳。系統(tǒng)上電后，由單片機(jī)使nCONFIG上產(chǎn)生一個(gè)大于8μs的負(fù)脈沖，F(xiàn)PGA檢測到nCONFIG的下降沿后將啟動配置過程，nSTATUS和CONF_DONE隨之拉低。nCONFIG抬高1μs內(nèi)，nSTATUS抬高，配置數(shù)據(jù)從DATA0上由低位到高位依次送出，當(dāng)所有配置數(shù)據(jù)全部送出后，CONF_DONE被抬高，當(dāng)MCU檢測到這一變化后即結(jié)束配置過程。隨后，DCLK必須再提供幾個(gè)周期的時(shí)鐘(對于FLEX10K需要10個(gè)周期)以供FPGA正確完成初始化，進(jìn)入用戶模式。若配置過程出錯(cuò)，nSTATUS將被拉低，MCU重新啟動配置過程。其配置時(shí)序如圖2所示。

圖2 被動串行配置時(shí)序圖