FPGA實(shí)戰開(kāi)發(fā)技巧（11）

5.5.4 從串配置模式

在串行模式下，需要微處理器或微控制器等外部主機通過(guò)同步串行接口將配置數據串行寫(xiě)入FPGA芯片，其模式選擇信號M[2:0]=3’b111。典型的Spartan 3E系列FPGA單片配置電路如圖5.5.11所示。DIN輸入管腳的串行配置數據需要在外部時(shí)鐘CCLK 信號前有足夠的建立時(shí)間。其中單片FPGA 芯片構成了完整的JTAG鏈，僅用來(lái)測試芯片狀態(tài)，以及支持JTAG 在線(xiàn)調試模式，與從串配置模式?jīng)]有關(guān)系。外部主機通過(guò)下拉PROG_B啟動(dòng)配置并檢測INIT_B 電平，當INIT_B 為高時(shí)，表明FPGA 做好準備，開(kāi)始接收數據。此時(shí)，主機開(kāi)始提供數據和時(shí)鐘信號直到FPGA 配置完畢且DONE 管腳為高，或者INIT_B 變低表明發(fā)生配置錯誤才停止。整個(gè)過(guò)程需要比配置文件大小更多的時(shí)鐘周期，這是由于部分時(shí)鐘用于時(shí)序建立，特別當FPGA 被配置為等待DCM鎖存其時(shí)鐘輸入。

圖5-32 FPGA從串配置電路示意圖

此外，從串配置模式也可配置多片FPGA芯片，典型的兩片Spartan 3E系列FPGA的從串配置電路如圖5-33所示。所有芯片的CCLK信號都有主控設備提供，靠近主控設備的FPGA要充當橋梁的作用，將配置數據轉發(fā)到第二個(gè)FPGA芯片?？梢钥吹讲捎脧拇渲玫暮锰幹饕谟诠澥‰娐钒迕娣e，并使得系統具備更大的靈活性。

圖5-33 多片FPGA從串模式配置電路

5.5.5 JTAG配置模式

1．JTAG配置電路

賽靈思公司的FPGA芯片具有IEEE 1149.1/1532協(xié)議所規定的JTAG接口，只要FPGA上電，不論模式選擇管腳M[2:0] 的電平，都可用采用該配置模式。但是將模式配置管腳設置為JTAG模式，即M[2:0]=3’b101時(shí)，FPGA芯片上電后或者PROG_B管腳有低脈沖出現后，只能通過(guò)JTAG模式配置。JTAG模式不需要額外的掉電非易失存儲器，因此通過(guò)其配置的比特文件在FPGA斷電后即丟失，每次上電后都需要重新配置。由于JTAG模式已更改，配置效率高，是項目研發(fā)階段必不可少的配置模式。典型的Spartan 3E系列芯片的JTAG配置電路如圖5-34所示。

圖5-34 JTAG模式配置電路示意圖

5.5.6 System ACE配置方案

隨著(zhù)FPGA成為系統級解決方案的核心，大型、復雜設備常需要多片大規模的FPGA。如果使用PROM進(jìn)行配置，需要很大的PCB面積和高昂的成本，因此很多情況下都利用微處理由從模式配置FPGA芯片，但該配置方案容易出現總線(xiàn)競爭且延長(cháng)了系統啟動(dòng)時(shí)間。為了解決大規模FPGA的配置問(wèn)題，賽靈思公司推出了系統級的System ACE(Advanced ConfiguraTIon Environment) 解決方案。

System ACE可在一個(gè)系統內，甚至在多個(gè)板上，對賽靈思的所有FPGA進(jìn)行配置，使用Flash存儲卡或微硬盤(pán)保存配置數據，通過(guò)System ACE控制器把數據配置到FPGA中。目前，System ACE有System ACE
CF(Compact Flash)、System ACE SC(Soft Controller) 以及System ACE MPM(MuTI-Package Module) 三種。讀者需要注意的是：System ACE SC/MPM 是和System ACE CF 獨立的解決方案。典型的ACE 接口以及系統組成如圖5-35 所示。

圖5-35 典型的ACE接口以及系統組成示意圖

1．System ACE CF解決方案

System ACE CF的核心是System ACE CF存儲設備和System ACE控制器芯片。System ACE CF存儲設備包括賽靈思的ACE Flash卡或其它廠(chǎng)家的Compact Flash卡以及IBM的微硬盤(pán)。Compact Flash卡的容量為32MB~4GB，微硬盤(pán)的容量為2GB~6GB，至少可配置數百片FPGA芯片。

System ACE CF控制器提供了存儲單元和FPGA器件之間的接口，PC和存儲器的標準JTAG接口?？刂破餍酒J的配置模式也是通過(guò)邊界掃描的方式將數據配置到FPGA 鏈中，同樣可由邊界掃描鏈的測試和編程接口來(lái)輔助進(jìn)行系統原形的調試，其主要特點(diǎn)有：

- 支持賽靈思所有FPGA芯片的配置；
- 以最小的PC板空間實(shí)現多達8Gb的配置 ；
- 包括高達152Mbps的配置速率；
- 利用帶有嵌入式處理器核的FPGA進(jìn)行系統調節；
- 管理多個(gè)比特流( 全部或部分)，并按需要對其進(jìn)行激活；
- 包含處理器核初始化；
- 軟件存儲加密；
- 可移動(dòng)存儲器件；
- 降低了定制配置系統的成本，支持大多數 CompactFlash卡，包括Microdrive單元；包含內置式微處理器接口，可以直接調整FPGA配置；釋放設計資源。

圖5-36 System ACE CF配置電路示意圖

Compact Flash接口是ACE控制器的關(guān)鍵接口，可連接Compact Flash卡、標準的Compact Flash模塊以及IBM微硬盤(pán)。Compact Flash可以進(jìn)行拆卸，因此對存儲內容進(jìn)行修改和升級以及更換容量都非常方便。Compact Flash接口由Compact Flash控制器和Compact Flash仲裁器兩部分組成。由System ACE CF配置FPGA的接口電路如圖5-36所示。

2．System ACE SC解決方案

System ACE SC為用戶(hù)提供了自主性，用戶(hù)可以自由地選擇每一部分的元件，可將其置于電路板的任何位置，且所有的功能在一個(gè)獨立的FPGA中完成，并不需要整合其他組件。System ACE SC有4個(gè)主要接口：邊界掃描JTAG接口、系統控制接口、Flash存儲器接口以及FPGA 接口，如圖5-37所示。

圖5-37 System ACE SC接口示意圖

其中JTAG接口主要提供邊界掃描測試和對具有JTAG接口的Flash存儲器通信；Flash接口主要和外邊的Flash芯片通信，讀取存儲器內的內容以及對存儲器進(jìn)行編程；系統控制接口主要提供輸入時(shí)鐘、配置控制信號和配置狀態(tài)信號等；FPGA 接口主要用于配置FPGA，可通過(guò)從串、從并以及Selec tMAP等配置模式。

System ACE SC和System ACE CF的主要區別在于，System ACE SC的控制器是一個(gè)軟核邏輯，而不是芯片，需要和設計一起下載到FPFA中。其余區別如表5-4所列。

表5-4 System ACE CF和System ACE SC的區別

典型的System ACE SC 配置電路如圖5-38 所示。

圖5-38 System ACE SC配置電路示意圖

3．System ACE MPM解決方案

System ACE MPM是一個(gè)整合的組件解決方案，包括FPGA和PROM組成的配置控制組件和一個(gè)Flash存儲組件，并封裝為一個(gè)模塊，通過(guò)盡可能少的組件來(lái)實(shí)現配置電路。賽靈思公司有16M、32M 以及64M位低密度的System ACE MPM。System ACE MPM 有4 個(gè)主要接口，和System ACE SC 的接口一樣，其特征和功能也與System ACE SC 一樣。二者的區別在于：System ACE MPM 封裝了整個(gè)配置模塊，而System ACE SC 允許用戶(hù)自行配置，其接口電路如圖5-39 所示。

圖5-39 System ACE MPM接口電路示意圖

System ACE MPM是賽靈思公司第一個(gè)支持位流壓縮的配置方案，支持多種配置模式，同時(shí)可多達8個(gè)FPGA鏈的從串配置模式和多達4個(gè)FPGA的Select MAP配置模式，最大配置速率為152Mbps，同時(shí)又可最大限度地減小電路板空間和連線(xiàn)。典型的System ACE MPM 配置電路如圖5-40所示?？傊?，System ACE技術(shù)簡(jiǎn)化了大型FPGA 系統的配置方案，令開(kāi)發(fā)人員將精力主要集中在系統性能的提高和開(kāi)發(fā)時(shí)間的縮短。

圖5-40 System ACE MPM配置電路示意圖