用XC9500 CPLD和并行PROM配置Xilinx FPGA(圖)

概述
　　隨著fpga芯片密度的增加，串行prom已不能適應(yīng)高密度的fpga的配置。大容量的并行prom所要求的尋址方式又不能直接與fpga接口，這時可以采用xc9500 cpld和prom對高密度fpga進行配置。fpga設(shè)備在線配置或電源上電時，配置邏輯會被自動清除。fpga的program信號必須在300ns內(nèi)置低，使配置邏輯復(fù)位。init輸出在內(nèi)部配置存儲器清零期間保持低電平。一旦init管腳變高，就表明設(shè)備已準備接受配置。

　　fpga的配置有主設(shè)備串行配置和從設(shè)備串行配置兩種方式。xc4000和spartan系列設(shè)備在init變高后要求在設(shè)備準備接收配置數(shù)據(jù)之前有一個超時期，但spartan-ⅱ不在此列。在主設(shè)備串行模式下，fpga在超時達到要求之前關(guān)閉配置時鐘(cclk)。在從設(shè)備串行模式下，必須在超時期完成后才能開啟cclk。而spartan-ⅱ和virtex系列在init信號變高之后不要求超時期，一旦init信號變高，設(shè)備立即準備接收配置數(shù)據(jù)。

接口設(shè)計
　　在串行配置模式下用并行prom對fpga進行配置時，需要專門的接口進行并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并管理fpga的配置信號。接口的設(shè)計方法很多，圖1是使用xc9500 cpld配置fpga的電路結(jié)構(gòu)。

vsprom的設(shè)計
　　設(shè)計虛擬串行prom(vsprom)的目的是為并行prom和fpga之間的連接提供接口，接口的任務(wù)是將從prom中讀來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行輸出，然后再將地址遞增。vsprom的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在處理數(shù)據(jù)的同時，vsprom還管理init和done信號。在配置期間，如果init被fpga拉低，表明出現(xiàn)配置錯誤，vsprom必須復(fù)位并等待用戶將fpga復(fù)位，然后重新配置。一旦fpga的done變高，表明配置成功，vsprom就撤消rom_cs來取消prom的使能，將自己和prom與fpga隔離，并將dout設(shè)為高阻態(tài)。

　　在vsprom的設(shè)計中，使用xc9536pc44-10、xcv600bg432-6和一個8位的prom(at27c080)驗證。

　　主設(shè)備串行配置時，xilinx fpga提供配置時鐘(cclk)。cclk與vsprom的時鐘clk_in直接相連。virtex和spartan-ⅱ支持的最大配置速率是60mhz，xc4000/spartan系列支持的最大配置速率是8mhz。然而，實際的最大配置速率還應(yīng)該考慮prom的存取時間(tacc)和主設(shè)備串行輸入的時間(tdsck)。

　　主設(shè)備串行模式下prom的頻率=1/(tacc+tdsck)。

　　tacc對于virtex為5.0ns，對于xc4000/spartan系列是20.0ns，prom的tacc對于at27c080是100ns。因此，對于virtex設(shè)備最大頻率為9.5mhz，對于xc4000/spartan設(shè)備最大頻率為8.3mhz。這就是說，virtex設(shè)備的配置頻率受prom的限制，而xc4000/spartan設(shè)備的配置頻率受自己內(nèi)部cclk的限制。為了加快virtex設(shè)備的配置速度，可以選擇更快的prom。在主設(shè)備串行模式下，fpga在準備好接收配置數(shù)據(jù)之前會關(guān)閉cclk，因此vsprom的設(shè)計不用考慮其他問題。

　　從設(shè)備串行配置有專門的振蕩電路提供配置時鐘，速度比較快。振蕩電路的時鐘輸出必須接fpga的配置時鐘(cclk)和vsprom的時鐘(clk_in)。最大配置頻率對于virtex是66mhz，對于xc4000/spartan系列是10mhz。同樣，配置頻率受到prom的存取時間(tacc)和從設(shè)備串行輸入時間(tdcc)的限制，計算方法同上。

表1 不同的eprom所需的地址線

　　從設(shè)備串行模式下對xc4000或者spartan系列fpga進行配置時，必須考慮設(shè)備開始的順序(這里討論的順序不適合spartan-ⅱ系列)。正如前面提及的，一旦init置高，設(shè)備能夠接收配置數(shù)據(jù)之前需要有一個超時期，vsprom接口必須能夠在超時期達到之前封鎖振蕩電路的時鐘輸出。如果是virtex或者spartan-ⅱ設(shè)備作為從設(shè)備，init置高后fpga可以立即準備好接收配置數(shù)據(jù)，就不用考慮超時的問題。

　　在以上兩種配置方式下，并行prom的大小和數(shù)目由配置fpga所要求的配置位的數(shù)目決定。prom的大小由所需要的地址線數(shù)目決定。缺省情況下，vsprom設(shè)計使用19根地址線，對應(yīng)4mb的prom。當需要更多的容量存儲配置數(shù)據(jù)時，可以修改vsprom源程序(vhdl或generic)使其適應(yīng)新的需求，詳細情況參見表1。如果配置要求多于19根地址線，可以使用xc9572設(shè)計vsprom。

　　fpga配置期間發(fā)生錯誤時，init信號變成低電平，配置程序中止。所以vsprom需要管理init，當init變低時，vsprom需要復(fù)位并等待fpga的復(fù)位后才能進行重新配置。簡單的方法是可以在init變低時用vsprom控制fpga的program變低，迫使fpga清除自己的配置存儲器，然后重試?；蛘呖梢詫nit接微控制器，在配置期間init變低時控制整個系統(tǒng)復(fù)位。

表2 兩個prom的地址譯碼

接口的擴展
　　fpga要求的配置空間大于所選的prom時，可以使用多個prom，連接方法如圖3所示。這時地址線是20位，高位地址線 address(19)用來選擇prom，見表2。

　　多個fpga可以直接級連，如圖4所示。這種情況下對vsprom沒有特殊的要求。cclk，init，done和prog信號必須并聯(lián)，前一個設(shè)備的dout信號連接下一個的din。

調(diào)試應(yīng)用
　　為了保證fpga的cclk和din信號不受任何干擾，在設(shè)計電路板時通常在每個vcc和gnd之間加0.1μf和0.01μf的電容。同時，要保證vcc的響應(yīng)速度足夠快。如果電源響應(yīng)速度不夠快、響應(yīng)單調(diào)性不好，會影響系統(tǒng)的上電過程從而影響正確的配置。

　　所有的xc4000和spartan設(shè)備都對5v和3.3v環(huán)境兼容。virtex和spartan-ⅱ設(shè)備也可以直接應(yīng)用于5v和3.3v的環(huán)境，在lvttl與3.3v的vcco相連時必須使用缺省的i/o標準。詳細情況參見xilinx設(shè)備的電壓兼容性數(shù)據(jù)資料。virtex-e設(shè)備不能直接應(yīng)用在5v環(huán)境，因此在配置時必須加以考慮。