基于CPLD的FPGA快速動態(tài)重構(gòu)設(shè)計

基于CPLD的FPGA快速動態(tài)重構(gòu)設(shè)計摘要：隨著FPGA的廣泛應(yīng)用,其實現(xiàn)的功能也越來越多,FPGA的動態(tài)重構(gòu)設(shè)計就顯得愈發(fā)重要。在分析XilinxVertexIIPro系列FPGA配置流程、時序要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于CPLD的FPGA快速動態(tài)重構(gòu)方案,實現(xiàn)了同一硬件平臺下多個FPGA設(shè)計版本的在線動態(tài)配置和功能重構(gòu),該技術(shù)已在工程中成功應(yīng)用。1引言

軟件無線電(SDR)的設(shè)計思想已成為現(xiàn)今通信的熱點,它以通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件處理平臺為依托,通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能。硬件處理平臺設(shè)計為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，通用性是其首要考慮的問題,因為只有具有通用性，才能用軟件實現(xiàn)多種功能。由于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的現(xiàn)場可編程特性,故目前硬件處理平臺的設(shè)計基本上都采用了FPGA+CPU的架構(gòu),FPGA主要用來完成并行和高速處理的功能。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,FPGA可提供的資源日益強(qiáng)大,達(dá)到上千萬門級,其承擔(dān)的功能越來越多,同時,電子設(shè)備對成本、功耗和體積的要求也越來越高,矛盾就不可避免地產(chǎn)生。通過實時地動態(tài)重新配置FPGA來加載不同的功能軟件,實現(xiàn)功能切換,是解決此問題的較好方法,可實現(xiàn)幾者之間的均衡。目前,實現(xiàn)FPGA動態(tài)重新配置比較通用的方法有兩種:一是通過DSP或其它CPU讀取存儲器中的比特(bit)文件對FPGA進(jìn)行串行加載或并行加載,其缺點是加載速率一般很低,不能實現(xiàn)狀態(tài)高速切換;二是使用Xilinx公司的專用配置芯片XCFxxP系列,但由于其存儲容量有限,對于功能復(fù)雜的系統(tǒng),FPGA的軟件版本多,需要多片專用配置芯片,不適用于印制板尺寸很小、布局緊張的場合。針對上述問題,本文提出了基于CPLD的FPGA快速動態(tài)加載方案,實現(xiàn)了FPGA的功能重構(gòu),克服了上述兩種方式的缺點。2VertexIIPro的配置流程

Xilinx公司的FPGA配置存儲器是易失性的,每次上電時都要將存儲在外部存儲器中的位流文件加載到FPGA中才能正常工作。其配置過程主要有4個階段:清除配置存儲器、初始化、加載配置數(shù)據(jù)、器件啟動,其流程如圖1所示。配置存儲器清除階段,INIT_B和DONE管腳變低。當(dāng)配置存儲器清除完畢后,INIT_B管腳變高。如果通過拉低PROG_B管腳來清除配置存儲器,則PROG_B的低脈沖時間至少大于300ns,無最大值。上電時序如圖2所示。2.2初始化

在初始化階段,FPGA首先釋放對INIT_B的控制權(quán)。此時,如果外部將INIT_B拉低,FPGA將延遲配置進(jìn)程,INIT_B上升沿采樣配置方式管腳M0、M1、M2,根據(jù)不同的配置方式,開始配置進(jìn)程。在此期間,不需要暫停時間或等待周期,但I(xiàn)NIT_B變高后,也不會立即開始配置,需要FPGA從位流文件中收到同步字后,其配置邏輯才開始處理數(shù)據(jù)。2.3加載配置數(shù)據(jù)

內(nèi)部配置存儲器被分成叫做“幀”的塊,真正寫進(jìn)配置存儲器的位流部分叫做"數(shù)據(jù)幀","幀"的大小和數(shù)量隨器件而變。一旦配置進(jìn)程開始,FPGA接收數(shù)據(jù)幀,最后一個數(shù)據(jù)幀接收完后進(jìn)行CRC校驗。當(dāng)CRC校驗出錯,FPGA將INIT_B管腳置低,指示CRC出錯,同時FPGA放棄配置進(jìn)程,不啟動工作,直至PROG_B變低來重新復(fù)位配置邏輯;CRC校驗正確,最后一個數(shù)據(jù)幀下載后,將給全局復(fù)位信號(GSR)一個脈沖,它將在進(jìn)入啟動之前復(fù)位器件內(nèi)的全部寄存器。2.4器件啟動

啟動是配置的最后一個階段,是從配置狀態(tài)到工作狀態(tài)的一個轉(zhuǎn)換過程,如圖3所示。啟動次序是0~7的一個8段序列狀態(tài)機(jī),可以用軟件改變次序,該階段完成以下任務(wù):釋放DONE管腳;撤消GTS,激活所有的I/O;使能GWE,允許所有的RAM和觸發(fā)器改變狀態(tài);使能EOS,啟動結(jié)束標(biāo)志總是設(shè)在第7段,其為內(nèi)部標(biāo)志,用戶無法介入。3CPLD動態(tài)配置FPGA的方法

VertexIIPro系列有4種配置模式:主串行模式、主并行模式、從串行模式和從并行模式。其中主從指的是配置時鐘的方向,