使用AVR單片機配置FPGA

Altera公司的ACEX、FLEX等系列的FPGA芯片應用廣泛，但其FPGA基于SRAM結構，決定電路邏輯功能的編程數據存儲于SRAM中。

由于SRAM的易失性，每次上電時(shí)必須重新把編程數據裝載到SRAM中，這一過(guò)程就是FPGA的配置過(guò)程。FPGA的配置分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。在主動(dòng)模式下，FPGA上電后主動(dòng)將配置數據從專(zhuān)用的EPROM(如EPC1，EPC2等)加載到SRAM中。被動(dòng)模式下，FPGA為從屬器件，由相應的控制電路或微處理器控制配置過(guò)程，包括通過(guò)下載電纜由計算機控制配置和單片機模擬配置時(shí)序配置。其中，專(zhuān)用的EPROM價(jià)格高，可編程次數少，而計算機配置在現場(chǎng)應用中又很不現實(shí)，因此本文提出一種基于AVR單片機的被動(dòng)配置方式。由于A(yíng)VR系列單片機的內嵌閃存的容量為8～128kB，可容納中小規模(10萬(wàn)門(mén)以下)FPGA的配置文件并進(jìn)行配置，另外還可實(shí)現多任務(wù)配置。以下將以FLEX10K10為例，介紹單片機對FPGA的雙任務(wù)配置。

ATmega系列單片機

ATMEL公司的ATmega系列單片機根據片內閃存的大小分為ATmega8、ATmega32、ATmega128等。本設計采用的是ATmega32，該單片機片內含16K×16共32KB的片內可編程ROM，可擦寫(xiě)10 000次，能裝載2萬(wàn)門(mén)以?xún)菷PGA的配置數據，最高性能可達16MIPS，可在最短的時(shí)間內完成FPGA的配置。如需要配置門(mén)數更高的FPGA，可采用MEGA128。

硬件電路設計

ATmega32內含32KB的閃存，FPGA為FLEX10K10，其配置文件的大小為15KB，因此該方案可實(shí)現雙任務(wù)配置。硬件連接上，采用單片機配置模式時(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，根據需要將PA0、PA1、PA2設置為輸出口，PA3、PA4設置為輸入口。另外，需在單片機的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(dòng)串行方式)、PS(被動(dòng)串行方式)、PPS(被動(dòng)并行同步方式)、PPA(被動(dòng)并行方式)和JTAG(邊界掃描方式)，使用單片機對FPGA進(jìn)行配置主要是采用單片機來(lái)模擬PS方式的時(shí)序，以實(shí)現FPGA器件的配置。

被動(dòng)串行方式的工作過(guò)程如下：配置時(shí)需要五個(gè)引腳，其中nCONFIG、DCLK、DATA0為單片機的輸出引腳，nSTATUS、CONF_DONE為單片機的輸入引腳。系統上電后，由單片機使nCONFIG上產(chǎn)生一個(gè)大于8μs的負脈沖，FPGA檢測到nCONFIG的下降沿后將啟動(dòng)配置過(guò)程，nSTATUS和CONF_DONE隨之拉低。nCONFIG抬高1μs內，nSTATUS抬高，配置數據從DATA0上由低位到高位依次送出，當所有配置數據全部送出后，CONF_DONE被抬高，當MCU檢測到這一變化后即結束配置過(guò)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(hù)模式。若配置過(guò)程出錯，nSTATUS將被拉低，MCU重新啟動(dòng)配置過(guò)程。其配置時(shí)序如圖2所示。

圖2 被動(dòng)串行配置時(shí)序圖