所有現(xiàn)代FPGA的配置分為兩類:基于SRAM的和基于非易失性的。其中，前者使用外部存儲(chǔ)器來(lái)配置FPGA內(nèi)的SRAM;后者只配置一次。

Lattice和Actel的FPGA使用稱為反熔絲的非易失性配置技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、不需要外部存儲(chǔ)器和配置控制器、功耗低、成本低和FPGA配置時(shí)間更快。最大的缺點(diǎn)在于配置是固定的。

大多數(shù)現(xiàn)代FPGA都是基于SRAM,包括Xilinx Spartan和Virtex系列。每個(gè)FPGA上電后或在后續(xù)的FPGA配置期間，從外部非易失性存儲(chǔ)器中讀取比特流，由配置控制器處理，并加載到內(nèi)部配置SRAM中。SRAM保持了配置邏輯、IO、嵌入式存儲(chǔ)器、布線、時(shí)鐘、收發(fā)器和其他FPGA原語(yǔ)等所有的設(shè)計(jì)信息。

圖1是Xilinx Virtex-6 的配置結(jié)構(gòu)。

配置是由FPGA內(nèi)部的配置控制器執(zhí)行。比特流存儲(chǔ)在外部非易失性存儲(chǔ)器(如Flash)中。外部存儲(chǔ)器通過(guò)使用SelectMAP接口連接到配置控制器，這是Xilinx特有的。額外的膠合邏輯可能需要架起SelectMAP和外部存儲(chǔ)器接口之間的橋梁。此外，比特流可以通過(guò)JTAG或ICAP加載到配置控制器中。比特流可以選擇加密，以提高安全性。內(nèi)部電池備份RAM( BBR)和eFuse保存用于比特流解密的加密密鑰。 FPGA配置存儲(chǔ)器也稱為配置存儲(chǔ)器單元，它的每一位與比特流中的對(duì)應(yīng)位一起初始化。每個(gè)存儲(chǔ)器單元的輸出連接到可配置的功能塊上，如LUT、寄存器、BRAM、IO、布線等。下圖是配置存儲(chǔ)器單元連接到多路復(fù)用器，以設(shè)置FPGA架構(gòu)中元件之間的特定布線路徑。在FPGA配置階段，邏輯狀態(tài)被置位為1或0。

Xilinx的FPGA配置模式

多種FPGA配置模式可滿足不同的使用模式。圖3是Xilinx FPGA配置模式的分類。

配置模式分為兩類:主動(dòng)( master)模式和被動(dòng)(slave)模式。在主動(dòng)配置模式下，F(xiàn)PGA控制配置過(guò)程。在被動(dòng)模式下，由外部設(shè)備(如單片機(jī)、CPLD或其他FPGA)控制FPGA的配置過(guò)程。此外，還有兩個(gè)特殊的配置模式，即使用JTAG和內(nèi)部配置訪問(wèn)端口(ICAP)。有4種數(shù)據(jù)寬度支持不同的外部存儲(chǔ)器: 32位、16位、8位、1位(串行)。下面是配置模式的簡(jiǎn)要介紹。

JTAG

JTAG接口主要在調(diào)試期間使用。為了與Xilinx ChipScope 和iMPACT軟件應(yīng)用程序接口，特殊的適配器連接到專用FPGA引腳上。

ICAP

專用的ICAP原語(yǔ)用于與用戶邏輯的接口，在FPGA架構(gòu)內(nèi)進(jìn)行配置。

主動(dòng)串行模式

在主動(dòng)串行模式中，F(xiàn)PGA控制Xilinx Platform Flash,以提供配置數(shù)據(jù)。Xilinx Platform Flash是一種特殊的非易失性存儲(chǔ)器，旨在通過(guò)使用SelectMAP接口直接與Xilinx FPGA接口。

主動(dòng)SPI Flash模式

在主動(dòng)SPI Flash 模式中，F(xiàn)PGA控制串行SPI閃存，以提供配置數(shù)據(jù)。

主動(dòng)SelectMAP模式

在主動(dòng)SelectMAP模式中，F(xiàn)PGA控制Xilinx Plaform Flash,以提供8位或16位的配置數(shù)據(jù)。

主動(dòng)BPI模式

在主動(dòng)BPI模式中，F(xiàn)PGA控制并行NOR Flash, 以提供8位或16位的配置數(shù)據(jù)。

被動(dòng)串行和SelectMAP模式

在被動(dòng)串行模式下，外部設(shè)備(如單片機(jī)、CPLD或其他FPGA)控制FPGA的配置過(guò)程。

設(shè)計(jì)FPGA配置方案

對(duì)于特定設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有一些設(shè)計(jì)考慮用于選擇最合適的 FPGA配置方案。主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)是： ●選擇是否通過(guò)外部設(shè)備(被動(dòng)模式)或由FPGA本身(主動(dòng)模式)控制配置過(guò)程。從系統(tǒng)復(fù)雜性角度來(lái)看，主動(dòng)模式最簡(jiǎn)單，但未必適合所有設(shè)計(jì)。被動(dòng)模式接口作為簡(jiǎn)單的串行接口，直接連接到處理器的IO引腳，讀取比特流數(shù)據(jù)進(jìn)入配置控制器。 ●選擇外部非易失性存儲(chǔ)器的類型和大小，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)FPGA比特流。盡管與FPGA的成本相比，外部存儲(chǔ)器的成本相對(duì)較低，但仍然是不可忽略的。設(shè)計(jì)者可以在SPI Flash、并行NOR Flash、或Xilinx Platform Flash 之間進(jìn)行選擇。在某些設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA可以使用連接到被動(dòng)模式下的FPGA配置控制器直接配置。 ●數(shù)據(jù)寬度的選擇---串行、 8位、16位或32位----影響配置速度和FPGA中用于設(shè)計(jì)的I0數(shù)目。 ●現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)配置比特流可以是一個(gè)重要的需求。配置方案必須解決當(dāng)比特流正在編程進(jìn)入非易失性存儲(chǔ)器時(shí)發(fā)生損壞的情況。 ●Xilinx FPGA提供了一個(gè)選項(xiàng)，用來(lái)加密在更高設(shè)計(jì)安全要求情況下的比特流。解密密鑰可以存儲(chǔ)在內(nèi)部的BBR或者eFuse中。BBR存儲(chǔ)器是易失性的，需要外部電池。使用BBR與使用非易失性eFuse相比，重新編程相對(duì)容易。 ●配置模式的選擇如圖所示，以Spartan-6為例，配置模式選擇如下圖所示：

●不同配置模式的硬件設(shè)計(jì)如下圖所示：

計(jì)算配置時(shí)間

在許多應(yīng)用中，F(xiàn)PGA配置時(shí)間很關(guān)鍵，要準(zhǔn)確估計(jì)配置方案選擇過(guò)程中的時(shí)間是很重要的。配置時(shí)間取決于比特流大小、時(shí)鐘頻率和配置接口的數(shù)據(jù)寬度，按下列公式定義:配置時(shí)間=比特流大小x時(shí)鐘頻率x數(shù)據(jù)寬度表1提供了配置接口在不同數(shù)據(jù)寬度下，對(duì)于使用50 MHz時(shí)鐘的最小和最大Xlinx Virtex-6 FPGA的預(yù)期配置時(shí)間。

Xilinx配置相關(guān)的原語(yǔ)

表2提供了Xilinx Virtex-6 FPGA支持的與配置相關(guān)的原語(yǔ)列表。

審核編輯 ：李倩