FPGA的配置引腳說明

FPGA是基于SRAM編程的，編程信息在系統(tǒng)掉電時會丟失，每次上電時，都需要從器件外部的FLASH或EEPROM中存儲的編程數(shù)據(jù)重現(xiàn)寫入內(nèi)部的SRAM中。FPGA在線加載需要有CPU的幫助，并且在加載前CPU已經(jīng)啟動并工作。FPGA的加載模式主要有以下幾種：1).PS模式(PassiveSerialConfigurationMo瑚被動串行加載模式。PS模式適合于邏輯規(guī)模小，對加載速度要求不高的FPGA加載場合。在此模式下，加載所需的配置時鐘信號CCLK由FPGA外部時鐘源或外部控制信號提供。另外，PS加載模式需要外部微控制器的支持。.AS模式(ActiveSerialConfigurationMod即)主動串行加載模式。AS模式下，F(xiàn)PGA主動從外部存儲設(shè)備中讀取邏輯信息來為自己進(jìn)行配置，此模式的配置時鐘信號CCLK由FPGA內(nèi)部提供。.PP模式(PassiveParallelConfigurationMode被動并行加載模式。此模式適合于邏輯規(guī)模較大，對加載速度要求較高的FPGA加載場合。PP模式下，外部設(shè)備通過8bit并行數(shù)據(jù)線對FPGA進(jìn)行邏輯加載，CCLK信號由外部提供。4).BS模式(BoundaryScanConfigurationMod，)即邊界掃描加載模式。也就是我們通常所說的JTAG加載模式。所有的FPGA芯片都有三個或四個加載模式配置管腳，通過配置MESL[0..3來選取不同的加載模式。首先來介紹下PS加載模式，各個廠商FPGA產(chǎn)品的PS加載端定義存在一些差異，下面就對目前主流的三個FPGA廠商Altera,*ilin*,La的tPSe加載方式進(jìn)行一一介紹。Altera公司的FPGA產(chǎn)品PS加載接如下圖所示。.CONFIG_DONE:加載完成指示輸出信號，I/O接，高有效，實際使用中通過4.7K電阻上拉到VCC，使其默認(rèn)狀態(tài)為高電平，表示芯片已加載完畢，當(dāng)FPGA正在加載時，會將其驅(qū)動為低電平。2).nSTATUS：芯片復(fù)位完成狀態(tài)信號，I/O接，低有效，為低時表示可以接收來自外部的加載數(shù)據(jù)。實際使用中通過4.7K電阻上拉到VCC，使其默認(rèn)狀態(tài)為高，表示不接收加載數(shù)據(jù)。3).nCE芯片使能管腳，輸入信號，低有效，表示芯片被使能。當(dāng)nCE為高電平時，芯片為去使能狀態(tài)，禁止對芯片進(jìn)行任何操作。對于單FPGA芯片單板，nCE直接接GND即可，而對于多FPGA芯片單板，第一片芯片的nCE接GND，下一芯片的nCE接上一芯片nCEO。4).nCEO：使能輸出信號，當(dāng)芯片加載完成時，該管腳輸出為低電平，未加載完成時輸出為高電平。對于單FPGA芯片單板，nCEO懸空，對于多FPGA芯片單板，nCEO接下一芯片nCE。5).nCONFIG：啟動加載輸入信號，低電平時表示外部要求FPGA需要重新加載，復(fù)位FPGA芯片，清空芯片中現(xiàn)有數(shù)據(jù)。實際使用中該管腳通過4.7K電阻上拉到VCC，使其默認(rèn)狀態(tài)為高。6).DCLK：加載數(shù)據(jù)參考時鐘°PS模式下為輸入，AS模式下為輸出。.DATA0：加載數(shù)據(jù)輸入，輸入信號。.MSEL[0:3：]加載模式配置管腳。控制加載模式。上圖為利用CPU擴(kuò)展I/O端對多片F(xiàn)PGA進(jìn)行PS加載的硬件連接實例°CPU可以利用自己的I/O端來對FPGA進(jìn)行直接加載，不過，由于CPU的I/O端有限，在大多數(shù)情況下，都是利用擴(kuò)展I/O端，擴(kuò)展器件可以是CPLD或FPGA，不過在大多數(shù)情況下都CPLD。上圖為同步加載方案，兩片F(xiàn)PGA的nCE管腳都接GND，所以兩片F(xiàn)PGA的加載操作會同時開始和結(jié)束，此種設(shè)計方案適用于兩片F(xiàn)PGA來自同一個廠家，并且邏輯數(shù)據(jù)相同。如果兩片F(xiàn)PGA的邏輯數(shù)據(jù)不同，則需要采取異步加載模式，如下圖所示。vccI/OCONFIG..DONECONFIG..DONET/0nSTATUSnSTATUSCPLD/CEAlteramE1eraFPGAFPGAnCE0FPGACEOI/O?^nCONFIGnCQMFIG頓LCIDCLKMSELOI/OMEEL1DCLKMSEL1170DATAOSSEL2DATAOSSEL3.如上圖所示，第一片芯片的nCEO輸出管腳與第二片芯片的nCE管腳連接，當(dāng)?shù)谝黄酒虞d邏輯時，nCEO輸出高電平，將第二片芯片禁止，直到第一片芯片加載完成時，nCEO輸出低電平，讓第二片芯片使能，然后開始接收加載數(shù)據(jù)。FPGA的加載流程.CPU的I/O端或擴(kuò)展I/O端將FPGA的nCONFIG［啟動加載輸入信號］驅(qū)動為低，通知FPGA去完成加載前的準(zhǔn)備工作復(fù)位芯片，清空FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù))。.FPGA完成準(zhǔn)備工作，將nSTATUS［芯片復(fù)位完成狀態(tài)信號］信號驅(qū)動為低，表示準(zhǔn)備工作已完成，可以接收加載數(shù)據(jù)。.CPU對FPGA加載邏輯，在此期間，F(xiàn)PGA將CONFIG_DONE［加載完成信號］驅(qū)動為低，表示正在加載。加載完成后，F(xiàn)PGA將CONFIG_DONE驅(qū)動為高，通知CPU加載已完成。如果加載過程出現(xiàn)錯誤，需要重新加載的話，F(xiàn)PGA會將CONFIG_DONE保持為低，通知CPU重新加載。*ili公司FPGA產(chǎn)品的邏輯加載端信號跟Alter公司的有點(diǎn)差別，如下圖所示。.DONE:加載完成指示信號，I/O信號，OD輸出，低有效，使用時需要上拉到VCC，此信號與Altera芯片的CONFIG_DONE信號功能相同。.INTI_BI/O信號，OD輸出，在配置模式采樣之前，此信號為輸入，為低電平時，表示延遲配置。在配置模式采樣后，用于指示配置過程中是否有CRC錯誤，為低電平時表示有CRC錯誤。使用時需要上拉到VCC。.PROG_B：輸入信號，低電平時，異步復(fù)位芯片，為接收加載數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。與Altera芯片的nCONFIG信號功能相同。.CCLK：I/O信號，JTAG模式外的所有配置模式下的時鐘輸入。.D_IN輸入信號，加載數(shù)據(jù)輸入，與CCLK信號的上升沿同步。.D_OUT：輸出信號，串行數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)FPGA芯片配置為bypass模式時，D_IN可以直接透傳過芯片從D_OUT管腳輸出。*ili芯片PS加載的硬件連接方式同Altera芯片的相同，這里就不畫了，同樣的，*ili芯片多片加載時也支持同步和異步兩種方式。同步方式下，加載數(shù)據(jù)分別跟每一FPGA芯片的D_IN信號連接。異步方式下，前一芯片的D_OUT接后一芯片的D_IN，等前一芯片加載完畢后，切換到bypass模式，數(shù)據(jù)直接從D_OUT管腳透傳過去給后面一片芯片加載。Latticed司的FPGA產(chǎn)品邏輯加載端跟*ilifft相似，如下圖所示。DONEIITTINLatticeFPGADOUTPROGRMNC?GOCCLK CFG1DI C?G2CFG是加載模式配置管腳，PROGRAMN是加載控制管腳，輸入信號，低電平進(jìn)入加載狀態(tài)°DI是加載數(shù)據(jù)輸入管腳，非加載狀態(tài)下可作為普通I/O端使用。下面是LatticeFPG芯片的PS和AS加載模式混合使用的實例，如下圖所示。如上圖所示，左邊的FPGA使用AS模式，通過CPU的SPI接給自己加載邏輯，時鐘信號CCLK由左邊的FPGA提供，等左邊的FPGA加載完成后，它會作為主控制器給右邊的FPGA加載，此時的加載方式為PS模式。CPU通過I/O與兩片F(xiàn)PGA的PROGRAMN管腳相連，可以控制加載的先后順序。PP加載模式Altera芯片的并行加載端與串行加載差不多，只是數(shù)據(jù)寬度由1位增加到8位。*ili芯片的并行加載端與串行加載端相比，多出如下信號線:數(shù)據(jù)寬度由1位增加到8位;.DOUT_BUSY:回讀數(shù)據(jù)Ready指示信號。.CS_B芯片加載選擇管腳，低有效;4).RPWD_B:讀寫控制信號，低電平為寫，高電平為讀。Lattice片的并行加載端與串行加載端相比，多處如下信號線：.CSN/CS1N:加載啟動信號，CSN或CS1N為高時，D[7:0和BUSY變?yōu)楦撸籆SN和CS1N同為高時，flow_through和bypass寄存器將被復(fù)位；CSN和CS1N同為低時，F(xiàn)