基于對(duì)EPCS在線編程的FPGA可重構(gòu)方法

0 引言
??? 可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為FPGA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的研究熱點(diǎn)，并已有許多令人矚目的研究成果及產(chǎn)品應(yīng)用。FPGA可重構(gòu)的應(yīng)用為用戶提供了方便的系統(tǒng)升級(jí)模式，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了基于相同硬件系統(tǒng)的不同工作模式功能。在當(dāng)今快速發(fā)展的市場(chǎng)環(huán)境條件下，產(chǎn)品是否便于現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，是否便于靈活使用無(wú)疑是產(chǎn)品能否進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵因素，F(xiàn)PGA的可重構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
??? 目前，很多可重構(gòu)的設(shè)計(jì)方式都采用單片機(jī)、CPLD等器件直接對(duì)FPGA器件進(jìn)行編程配置，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的可重構(gòu)。本設(shè)計(jì)則通過(guò)開(kāi)發(fā)CPLD先對(duì)FPGA的配置芯片EPCS進(jìn)行編程配置，然后再由FPGA從EPCS配置芯片下載配置程序來(lái)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，并通過(guò)用戶界面的簡(jiǎn)單操作來(lái)完成FPGA的工作方式重構(gòu)，這種可重構(gòu)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，用戶操作更加方便。本文首先介紹了FPGA常用的配置方式，然后詳細(xì)闡述了基于對(duì)EPCS配置芯片在線編程的可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 FPGA的常用配置方式
??? FPGA器件有三類常用的配置下載方式。其中主動(dòng)配置方式(AS)是由FPGA器件引導(dǎo)配置操作過(guò)程。它控制著外部存儲(chǔ)器和初始化過(guò)程，可使用Altera串行配置器件來(lái)完成。期間FPGA器件處于主動(dòng)地位，配置器件處于從屬地位。配置數(shù)據(jù)通過(guò)DATA0引腳送入FPGA。配置數(shù)據(jù)被同步在DCLK輸入上，1個(gè)時(shí)鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。
??? 被動(dòng)配置方式(PS)則是由外部計(jì)算機(jī)或控制器控制配置過(guò)程。在PS配置期間，配置數(shù)據(jù)從外部?jī)?chǔ)存部件通過(guò)DATA0引腳送入FPGA。配置數(shù)據(jù)在DCLK上升沿鎖存，1個(gè)時(shí)鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。
??? JTAG配置方式中的JTAG接口是一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，主要用于芯片測(cè)試等功能，它使用IEEE Std1149．1聯(lián)合邊界掃描接口引腳，支持JAM STAPL標(biāo)準(zhǔn)，可以使用Altera下載電纜或主控器來(lái)完成。FPGA在正常工作時(shí)，它的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM中，關(guān)電后數(shù)據(jù)會(huì)消失，再次加電時(shí)必須重新下載配置程序。實(shí)驗(yàn)中通常用計(jì)算機(jī)或控制器進(jìn)行調(diào)試，因此，可以使用PS。而在實(shí)用系統(tǒng)中，多數(shù)情況下必須由FPGA主動(dòng)引導(dǎo)配置操作過(guò)程，這時(shí)，F(xiàn)PGA將主動(dòng)從外圍專用存儲(chǔ)芯片中獲得配置數(shù)據(jù)，而此芯片中的FPGA配置信息則用普通編程器將設(shè)計(jì)所得的pof格式文件燒錄進(jìn)去。
??? 在做FPGA實(shí)驗(yàn)板時(shí)，通常采用AS+JTAG方式，這樣可以用JTAG方式進(jìn)行調(diào)試，而最后程序已經(jīng)調(diào)試無(wú)誤后，再用AS模式把程序燒到配置芯片中，這樣操作有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，就是在AS模式不能下載的時(shí)候，可以利用Quartus自帶的工具生成JTAG模式下可以利用的文件來(lái)驗(yàn)證配置芯片是否工作正常。

2 對(duì)EPCS在線編程的FPGA可重構(gòu)配置
2．1 FPGA可重構(gòu)簡(jiǎn)介
??? 可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)指能夠利用可重用的硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，靈活改變自身的體系結(jié)構(gòu)，以便為每個(gè)特定的應(yīng)用需求提供與之相匹配的體系結(jié)構(gòu)?？芍貥?gòu)電路的設(shè)計(jì)可利用FPGA的可重配置特性。所謂可重配置，就是基于SRAM的FPGA在掉電后配置數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)丟失，再次上電后必須重新配置FPGA，F(xiàn)PGA才能正常工作。這樣可以利用有限的硬件資源完成多種邏輯功能，這就是采用基于SRAM工藝的FPGA的可重構(gòu)系統(tǒng)的可重構(gòu)電路設(shè)計(jì)原理。
??? 設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)單片機(jī)或CPLD器件來(lái)控制FPGA配置不同的邏輯功能以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)系統(tǒng)。FPGA有一個(gè)專用的配置引腳nCONFIG，在FPGA正常工作過(guò)程中，如果此引腳上加一個(gè)低電平脈沖，那么，當(dāng)FPGA檢測(cè)到其上升沿后，F(xiàn)PAG將自動(dòng)清除其內(nèi)部的配置存儲(chǔ)器，并進(jìn)行重新配置，這樣，F(xiàn)PGA才能工作。利用這一特性，設(shè)計(jì)時(shí)便可通過(guò)用戶界面操作在FPGA的nCONFIG引腳上加一個(gè)低電平脈沖，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)FPGA的重新配置。
??? 本設(shè)計(jì)是通過(guò)DSP處理器來(lái)接收PC主機(jī)的FPGA配置數(shù)據(jù)流，并開(kāi)發(fā)CPLD器件以實(shí)現(xiàn)控制邏輯，最終把所需的FPGA配置數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)到支持AS配置模式的EPCS配置芯片中，并實(shí)現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)流的更新，從而達(dá)到FPGA的重新配置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的可重構(gòu)。其可重構(gòu)電路由DSP與CPLD串行通訊電路、CPLD讀寫EPCS配置芯片電路和EPCS配置FPGA電路組成。
2．2 EPCS配置器件
??? FPGA的串行配置芯片主要包括EPCS1，EPCS4，EPCS16，EPCS64，EPCS128等。它們的主要區(qū)別是容量不同，分別為1 M，4 M，16 M，64 M，128 M Bits的容量，可配置的FPGA器件也有所不同，用戶可根據(jù)不同需求來(lái)選擇。EPCS配置芯片的擦除或編程次數(shù)可以達(dá)到十萬(wàn)次左右，一般情況下足以滿足用戶需求。EPCS器件電平的選擇包括3．3 V、2．5 V、1．8 V、1．5 V，主要可參考對(duì)應(yīng)的FPGA所用I／O bank的VCCIO引腳電平的選擇。

EPCS芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，EPCS配置器件與所配置的FPGA器件的連接引腳有時(shí)鐘輸入管腳DCLK?？蔀榇袛?shù)據(jù)的傳送提供時(shí)鐘，一般由FPGA發(fā)送；其次是串行數(shù)據(jù)輸出管腳DATA，用于向FPGA傳送配置數(shù)據(jù)；第三是主動(dòng)串行數(shù)據(jù)輸入管腳ASDI，負(fù)責(zé)接收來(lái)自FPGA的不同字符串以實(shí)現(xiàn)對(duì)EPCS的讀寫控制；另外，還有片選信號(hào)nCS。

??? 上位機(jī)通過(guò)下載線用Quartus軟件工具對(duì)EPCS配置芯片進(jìn)行配置程序的燒寫操作，其配置文件必須為pof文件格式。在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)文件編譯完成后，Quartus軟件就可以生成燒寫所需的pof格式文件。
2．3 可重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 本設(shè)計(jì)主要是通過(guò)DSP的串口向CPLD器件發(fā)送控制命令以及要進(jìn)行配置的數(shù)據(jù)包，CPLD解析命令后再執(zhí)行相應(yīng)的操作，以完成EPCS配置芯片所需的下載時(shí)序及配置數(shù)據(jù)。當(dāng)EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)下載完成后，再進(jìn)行FPGA從配置芯片下載新的系統(tǒng)配置程序過(guò)程。一般情況下，在系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA都要馬上從EPCS配置芯片中下載配置文件。在對(duì)EPCS配置芯片進(jìn)行控制時(shí)，首先要讓FPGA釋放對(duì)EPCS配置芯片的控制，而且，在對(duì)EPCS配置芯片寫數(shù)據(jù)的操作完成后，又要將控制權(quán)交與FPGA，以便FPGA能夠下載最后一次完成的配置程序。本系統(tǒng)的可重構(gòu)原理圖如圖2所示。

??? FPGA可重構(gòu)系統(tǒng)中，DSP通過(guò)一個(gè)串口與CPLD進(jìn)行通信，串口由數(shù)據(jù)信號(hào)線BDX、幀信號(hào)線BFSX以及時(shí)鐘信號(hào)線BCLKX組成，所有的控制命令和程序數(shù)據(jù)都是通過(guò)這三條信號(hào)來(lái)傳送的。FPGA器件的CONF_DONE信號(hào)線、nSTATUS信號(hào)線和nCONFIG信號(hào)線均需要用大小為10kΩ的電阻上拉，而nCE信號(hào)線則需用10kΩ的下拉電阻。CPLD器件通過(guò)nCONFIG信號(hào)線和nCE信號(hào)線對(duì)EPCS配置芯片的控制權(quán)進(jìn)行控制或釋放。當(dāng)系統(tǒng)上電后，CPLD器件首先對(duì)EPCS配置芯片表現(xiàn)為釋放狀態(tài)，而FPGA則執(zhí)行EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)讀取操作，即FPGA的配置過(guò)程是：FPGA通過(guò)nCSO管腳置EPCS配置芯片的nCS信號(hào)線為低電平，并通過(guò)ASDO管腳向EPCS發(fā)送控制命令和地址，然后在DCLK的上升沿，由配置芯片通過(guò)DATA0信號(hào)線將配置程序和數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA，在程序發(fā)送完畢以后，CONF_DONE由低電平變?yōu)楦唠娖?，隨后進(jìn)行FPGA初始化并進(jìn)入工作狀態(tài)。
??? 當(dāng)需要進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)，可由上位機(jī)向DSP器件發(fā)送控制命令以進(jìn)行系統(tǒng)的重構(gòu)操作。系統(tǒng)重構(gòu)的流程圖如圖3所示，整個(gè)過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：

??? (1)上位機(jī)發(fā)送重構(gòu)命令后，由DSP通過(guò)串口向CPLD器件發(fā)送控制選通命令字符串，命令經(jīng)CPLD器件解析后將nCONFIG信號(hào)線置為低電平，并將nCE信號(hào)線置為高電平，從而取得對(duì)EPCS配置器件的nCS、DCLK、ASDI、DATA管腳的掌控權(quán)。此時(shí)，F(xiàn)PGA可釋放對(duì)EPCS的掌控權(quán)，但不讀取EPCS的配置程序數(shù)據(jù)。

(2)主機(jī)通過(guò)儀器接口向DSP器件發(fā)送所需要的重構(gòu)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在DSP器件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，Quartus軟件生成的pof格式文件數(shù)據(jù)并不能直接寫入EPCS配置芯片，而是需要進(jìn)行一定方式的格式轉(zhuǎn)換，然后才能重新組合成需要下載到EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)流。所以，需要在DSP內(nèi)做一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的操作。
??? (3)在對(duì)EPCS配置芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入以前，先要將其內(nèi)部的原有數(shù)據(jù)擦除掉。所以，這一步的任務(wù)是向EPCS配置芯片發(fā)送控制命令，并打開(kāi)寫使能，隨后發(fā)送擦除命令，將EPCS原有數(shù)據(jù)擦除。要注意的是，擦除時(shí)間必須大于3 s，否則不能完成擦除操作。
??? (4)為了確認(rèn)擦除操作是否已操作成功，可以執(zhí)行一次讀狀態(tài)控制命令。讀狀態(tài)命令也需要先打開(kāi)寫使能，再發(fā)送讀狀態(tài)命令。如果擦除過(guò)程正在進(jìn)行，則DATA信號(hào)線上會(huì)返回0000 0001的數(shù)據(jù)，擦除操作完成后，DATA信號(hào)線上將返回0000 0000的數(shù)據(jù)，此時(shí)便可以進(jìn)行下一步的工作。
??? (5)當(dāng)確認(rèn)擦除操作完成后，就可以進(jìn)行EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)寫入操作了。數(shù)據(jù)的寫入需要按幀依次寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)地址，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的首地址為0000 0000。
??? (6)所需的配置數(shù)據(jù)流發(fā)送完畢后，可發(fā)送控制命令以使CPLD器件釋放對(duì)EPCS配置芯片的控制權(quán)，即置nCS、DCLK、ASDI、DATA信號(hào)線為高阻狀態(tài)，并將nCONFIG信號(hào)線由低電平置為高電平，nCE信號(hào)線置為由高電平置為低電平。一旦FPGA器件接手EPCS配置芯片的控制權(quán)，在檢測(cè)到nCONFIG信號(hào)線的上升沿后，F(xiàn)PGA將下載EPCS配置芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新配置，此過(guò)程與系統(tǒng)上電時(shí)的配置過(guò)程相同。經(jīng)過(guò)上述一系列的操作，便可實(shí)現(xiàn)一次FP-GA的重構(gòu)過(guò)程。
2．4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
??? 本文所述的FPGA可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以在系統(tǒng)不關(guān)電的情況下進(jìn)行重構(gòu)過(guò)程，這樣就不會(huì)影響系統(tǒng)其它部分電路正在進(jìn)行的工作，極大地方便了用戶的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)一次用戶所需的配置完成后，系統(tǒng)下次上電后就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行最后一次所重構(gòu)的工作模式，不必每次上電進(jìn)行重構(gòu)工作。

3 可重構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證
??? 圖4所示是按照本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟要求，在數(shù)字化儀平臺(tái)上對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試的部分重構(gòu)波形變化圖，以此完成對(duì)主控邏輯功能的FPGA器件EP1C6Q24017的功能重構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

??? 圖4中所有波形圖的上面位置顯示的均為時(shí)鐘信號(hào)波形，其中圖4 (a)所示是打開(kāi)EPCS配置芯片寫使能時(shí)，發(fā)送控制字的時(shí)序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，指示寫使能控制字為“06”；圖4(b)所示是讀寫使能的狀態(tài)時(shí)序圖，圖中下面位置的波形為DATA0數(shù)據(jù)線上讀取的信號(hào)，指示狀態(tài)寄存器為“02”；圖4(c)所示是對(duì)EPCS配置芯片進(jìn)行擦除操作的時(shí)序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，指示擦除控制字為“C7”；圖4(d)所示是讀擦除操作的狀態(tài)時(shí)序圖，圖中下面位置的波形為DATA0數(shù)據(jù)線上讀取的信號(hào)，指示狀態(tài)寄存器為“03”；圖4(e)所示是對(duì)EPCS配置芯片進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作的時(shí)序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，指示寫數(shù)據(jù)命令為“02”；圖4(f)所示是向EPCS配置芯片傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程的部分波形圖，圖中下面位置為ASDO數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)信號(hào)。
??? 在滿足上述時(shí)序要求的條件下，當(dāng)EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)寫入完成后，F(xiàn)PGA即可進(jìn)入配置文件所設(shè)計(jì)的工作模式，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合預(yù)期的重構(gòu)目標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，該重構(gòu)方式功能正常，能穩(wěn)定地完成系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的不同重構(gòu)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 利用文本的方法對(duì)基于EPCS在線編程的FP-GA進(jìn)行可重構(gòu)設(shè)計(jì)，其硬件電路比較簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)不需要增加太多的硬件資源(比如大容量的存儲(chǔ)器件等)，而且配置過(guò)程靈活方便，用戶只需要一個(gè)相應(yīng)的配置文件數(shù)據(jù)包，即可完成系統(tǒng)重構(gòu)功能。故此，這種FPGA的可重構(gòu)設(shè)計(jì)具備廣泛的應(yīng)用前景。