基于現(xiàn)場可編程芯片的動態(tài)下載應用研究

摘要：通過對現(xiàn)有可編程芯片下載方案的研究，針對某些用戶對“現(xiàn)場可編程”的要求，本文提出了一種基于FPGA的數(shù)據(jù)高速動態(tài)下載方案,并簡要介紹了該方案的硬件設計與實現(xiàn)思想。

1 引言

隨著可編程邏輯器件的快速發(fā)展，器件的成本不斷降低，已有越來越多的應用領域用到 可編程邏輯器件。它本身具有的可編程能力，可以方便設計者輕松升級系統(tǒng)，并且使設計的 算法以硬件的方式執(zhí)行，大大提高了系統(tǒng)的處理速度。FPGA 以其具有極大的靈活性和現(xiàn)場 可編程特性得到廣泛的應用。按工藝劃分，F(xiàn)PGA 可分為反熔絲型、FLASH 型和SRAM 型。 反熔絲型雖然具有極強的保密性、但由于僅能編程一次，在使用上受到極大限制；FLASH 型FPGA 克服了反熔絲型FPGA 的缺點，但受結(jié)構(gòu)和工藝限制，在容量上有時很難滿足實 際需求；目前SRAM 型FPGA 以其具有容量大、可反復編程特性得到廣泛應用，目前市場 上大容量FPGA（10 萬門以上）無一例外都是基于SRAM 結(jié)構(gòu)。然而SRAM 型FPGA 最大 的缺點是需要外掛一片F(xiàn)LASH 配置芯片，該芯片對用戶完全透明，可以通過下載電纜或?qū)?用編程器進行編程。由于該芯片可以方便的進行復制和修改，因此配置文件極易被非法竊取， 設計師的知識產(chǎn)權(quán)無法得到充分保障。

本文分析研究了 ALTERA 公司的FPGA 下載方式、下載文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及被動串行下載 時序，提出了一種基于PCI 接口總線的現(xiàn)場配置電路設計方案。該電路模塊與PCI9656 芯 片控制模塊融合在一起，配合上層應用軟件，借助于主機PCI 總線和PCI 設備驅(qū)動程序， 利用QUARTUS II 軟件產(chǎn)生的二進制流文件直接對FPGA 芯片進行現(xiàn)場下載，下載采用 ALTERA 公司FPGA 的被動串行方式，具有很好的通用性。

2 適配卡電路結(jié)構(gòu)

本設計方案的設計是基于PCI 總線適配卡，適配卡為一高速數(shù)據(jù)采集卡，主要包括PCI 總線接口芯片、局部總線控制模塊、內(nèi)部運算與通信控制模塊。電路的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

通過分析 PCI 總線的傳輸與外圍設備如FIFO、SRAM、Flash 的時序知道，SRAM 屬于 同步設備，所有的讀寫操作均發(fā)生在時鐘上升沿，SRAM 寫時序與PCI 總線的時序一致， 可直接采用該時序進行控制，F(xiàn)IFO 也屬于同步設備，F(xiàn)IFO 讀寫時序及Flash 屬于異步設備 通過設計相應的簡單時序控制邏輯就能滿足與PCI 總線通信時序的要求。

3 下載電路硬件設計方案

3.1 PS 配置時序

FPGA 具有被動串行（PS）、主動串行（AS）和JTAG 三種下載方式，其中PS 模式為 ALTERA 公司FPGA 的通用下載方式，操作透明、配置簡單。在該模式下，外部電路采用5 條信號線對FPGA 進行配置，分別為配置時鐘DCLK，配置數(shù)據(jù)DATA0，配置啟動nCONFIG， 配置狀態(tài)nSTATUS，配置完成CONF_DONE 信號。配置時序如圖2 所示。

3.2 下載模塊電路設計

在 EPM7256A 內(nèi)部設計下載電路，電路由D 鎖存器、長度計數(shù)器、數(shù)據(jù)移位寄存器、 狀態(tài)機、狀態(tài)寄存器及局部總線控制模塊構(gòu)成。D 鎖存器鎖存主機送入的命令，輸入連接局 部總線數(shù)據(jù)為LD[1:0]，LD[1:0]=01 為啟動配置、10 為等待數(shù)據(jù)命令、11 為結(jié)束配置命令， 該命令輸出到配置控制狀態(tài)機，作為控制輸入。數(shù)據(jù)長度計數(shù)--器內(nèi)部存放本次配置的數(shù)據(jù) 長度，位寬5bit，連接局部總線LD[7:3]，計數(shù)器最大計數(shù)范圍為24，每寫入1bit，長度值 減1，當減至0 時，產(chǎn)生借位信號，作為本次配置完成信號，送入狀態(tài)機。數(shù)據(jù)移位寄存器共計24bit 寬，內(nèi)部裝載本次配置的數(shù)據(jù)，在狀態(tài)機的控制下，順序移出，寫入FPGA。局 部總線控制模塊產(chǎn)生局部總線的寫使能、讀有效信號，當PCI9054 尋址到20004000H 時， 產(chǎn)生寫使能信號，PCI9054 尋址到20000000H 時，產(chǎn)生狀態(tài)寄存器讀輸出有效信號。狀態(tài)寄 存器輸出連接局部總線，輸入連接FPGA 配置狀態(tài)信號nSTATUS、CONF_DONE 和本次配 置完成信號。電路框圖如圖3 所示：

3.3 下載電路狀態(tài)機設計

狀態(tài)機是該下載模塊的重要組成部分，負責協(xié)調(diào)各個模塊的工作。其輸入時鐘信號 LCLK，復位信號LRESET#，下載電路寫使能，DLC_WEN，本次配置完成指示：CONFIG_DATA_BO；輸 出 為 配 置時鐘DCLK ， 配置啟動nCONFIG ， 配置數(shù)據(jù)： DATA0 ， 移位使能 CONFIG_DATA_SHEN，計數(shù)使能CONFIG_LEN_EN。狀態(tài)機包括“等待命令狀態(tài)”SF0、 “啟動配置狀態(tài)”SF1、“等待數(shù)據(jù)狀態(tài)”SF2、“配置數(shù)據(jù)狀態(tài)1”SF31、“配置數(shù)據(jù)狀態(tài)2” SF32，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如下：

狀態(tài)SF0：“等待命令狀態(tài)”，等待軟件配置啟動命令。

此時：CONFIG_EN = 1、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若DLC_WEN_SH=1 且命令為0x01H，則進入狀態(tài)S1；

否則維持 S0 狀態(tài)不變。

狀態(tài) SF1：“啟動配置狀態(tài)”。

此時：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 0；

若 DLC_WEN_SH=1 且命令為0x02H，則進入“等待數(shù)據(jù)狀態(tài)”；否則維持 S1 狀態(tài)不變。

狀態(tài) SF2：“等待數(shù)據(jù)狀態(tài)”。

此時： CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若 DLC_WEN_SH=1 且命令為0x03H，則進入“配置數(shù)據(jù)狀態(tài)1”S31，若 DLC_WEN_SH=1 且命令為0x00H，則返回“等待命令狀態(tài)”S0，否則維持 S2 狀態(tài)不變。

狀態(tài) SF31：“配置數(shù)據(jù)狀態(tài)1”。發(fā)DCLK 為高電平及第N-bit 有效數(shù)據(jù)此時：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 1 、CONFIG_LEN_EN =1 、

DCLKQ = 1、nCONFIGQ = 1；進入狀態(tài) S32。

狀態(tài) SF32：“配置數(shù)據(jù)狀態(tài)2”。發(fā)DCLK 為低電平及第(N+1)-bit 有效的數(shù)據(jù)此時：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、

DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若 CONFIG_DATA_BO = 1 則進入狀態(tài) S31；

否則返回“等待數(shù)據(jù)狀態(tài)”S2。

4 下載電路軟件設計方案

下載電路軟件設計主要功能是讀取待下載文件，初始化硬件設備，按照下載電路的時 序要求將數(shù)據(jù)和控制命令寫入相應的PCI 存儲空間。初始化、配置設置、下載的實質(zhì)都是 通過數(shù)據(jù)總線將固定格式的命令和數(shù)據(jù)寫入到命令寄存器，并在這個過程中不斷讀取狀態(tài)寄 存器的值以監(jiān)測是否有錯誤發(fā)生。

首先開機，啟動操作系統(tǒng)，EPM7256A 內(nèi)部電路已下載。其次進行初始化操作。通過 數(shù)據(jù)總線向地址S0+E000H（配置端口）寫入初始化命令0x01H，延遲一段時間，讀取地址 S0+0000H（狀態(tài)寄存器）內(nèi)的數(shù)據(jù)，直至檢測到配置標志位CONF_DONE、nSTATUS 均為 0，初始化工作完成。再次進行配置啟動。向地址S0+E000H（配置端口）寫入配置命令0x02H， 延遲一段時間，讀取地址S0+0000H 狀態(tài)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，直至檢測到配置標志位 CONF_DONE 為0、nSTATUS 為1，配置FPGA2 工作完成。接著進行配置數(shù)據(jù)，向地址 S0+E000H（配置端口）寫入數(shù)據(jù)。Bit[2..0]固定接為011，作為配置數(shù)據(jù)命令；Bit[7..3]為本 次下載的有效數(shù)據(jù)長度；Bit[31:8]為要下載數(shù)據(jù)，Bit[31]最先下載、Bit[8]最后下載。讀取地 址S0+0000H（狀態(tài)寄存器）內(nèi)的數(shù)據(jù)，直至檢測到配置標志位CONFIG_DATA_BO 為0。 若檢測到CONFIG_DATA_BO=1，表明本次操作尚未完成，繼續(xù)執(zhí)行配置數(shù)據(jù)，否則執(zhí)行下 一步。最后進行數(shù)據(jù)配置完成檢驗。讀取地址S0+0000H（狀態(tài)寄存器）內(nèi)容，直至檢測到 配置標志位CONF_DONE、nSTATUS 均為1，表明全部數(shù)據(jù)配置完成，向地址S0+E000H （配置端口）寫入數(shù)據(jù)0x00H，完成本次下載軟件操作。

5 結(jié)束語

方案嚴格按照 FPGA 的PS 模式進行配置，實現(xiàn)了專用芯片在DOS 系統(tǒng)下的動態(tài)配置。 經(jīng)過試驗驗證，按照該方案設計的電路速度快，運行穩(wěn)定，設計完全達到了預期的目的。

本文作者創(chuàng)新點: 該設計方案實現(xiàn)了FGPA 掉電后內(nèi)部數(shù)據(jù)的自動清除，可以保障專用 芯片的保密性；另外本方案選用ALTERA 公司的EPM7256A 作為配置芯片，在其內(nèi)部實現(xiàn) 下載電路，真正實現(xiàn)了“現(xiàn)場可編程”，根據(jù)本設計思想還可以輕松做到在線升級。

[1].PCI datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI+_1201469.html.
[2].EPM7256A datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EPM7256A+_301023.html.
[3].1bitdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/1bit_2178090.html.
[4].PCI9054 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI9054+_1054563.html.
[5].SF2datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF2_1184527.html.
[6].SF31datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF31_604269.html.
[7].SF32datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF32_604270.html.