基于對EPCS在線編程的FPGA可重構方法

0 引言
??? 可重構體系結構已經(jīng)成為FPGA系統(tǒng)開發(fā)的研究熱點，并已有許多令人矚目的研究成果及產(chǎn)品應用。FPGA可重構的應用為用戶提供了方便的系統(tǒng)升級模式，同時也實現(xiàn)了基于相同硬件系統(tǒng)的不同工作模式功能。在當今快速發(fā)展的市場環(huán)境條件下，產(chǎn)品是否便于現(xiàn)場升級，是否便于靈活使用無疑是產(chǎn)品能否進入市場的關鍵因素，F(xiàn)PGA的可重構設計顯得尤為重要。
??? 目前，很多可重構的設計方式都采用單片機、CPLD等器件直接對FPGA器件進行編程配置，從而實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的可重構。本設計則通過開發(fā)CPLD先對FPGA的配置芯片EPCS進行編程配置，然后再由FPGA從EPCS配置芯片下載配置程序來實現(xiàn)可重構，并通過用戶界面的簡單操作來完成FPGA的工作方式重構，這種可重構方式結構簡單，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，然后詳細闡述了基于對EPCS配置芯片在線編程的可重構設計方案。

1 FPGA的常用配置方式
??? FPGA器件有三類常用的配置下載方式。其中主動配置方式(AS)是由FPGA器件引導配置操作過程。它控制著外部存儲器和初始化過程，可使用Altera串行配置器件來完成。期間FPGA器件處于主動地位，配置器件處于從屬地位。配置數(shù)據(jù)通過DATA0引腳送入FPGA。配置數(shù)據(jù)被同步在DCLK輸入上，1個時鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。
??? 被動配置方式(PS)則是由外部計算機或控制器控制配置過程。在PS配置期間，配置數(shù)據(jù)從外部儲存部件通過DATA0引腳送入FPGA。配置數(shù)據(jù)在DCLK上升沿鎖存，1個時鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。
??? JTAG配置方式中的JTAG接口是一個業(yè)界標準，主要用于芯片測試等功能，它使用IEEE Std1149．1聯(lián)合邊界掃描接口引腳，支持JAM STAPL標準，可以使用Altera下載電纜或主控器來完成。FPGA在正常工作時，它的配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM中，關電后數(shù)據(jù)會消失，再次加電時必須重新下載配置程序。實驗中通常用計算機或控制器進行調試，因此，可以使用PS。而在實用系統(tǒng)中，多數(shù)情況下必須由FPGA主動引導配置操作過程，這時，F(xiàn)PGA將主動從外圍專用存儲芯片中獲得配置數(shù)據(jù)，而此芯片中的FPGA配置信息則用普通編程器將設計所得的pof格式文件燒錄進去。
??? 在做FPGA實驗板時，通常采用AS+JTAG方式，這樣可以用JTAG方式進行調試，而最后程序已經(jīng)調試無誤后，再用AS模式把程序燒到配置芯片中，這樣操作有一個明顯的優(yōu)點，就是在AS模式不能下載的時候，可以利用Quartus自帶的工具生成JTAG模式下可以利用的文件來驗證配置芯片是否工作正常。

2 對EPCS在線編程的FPGA可重構配置
2．1 FPGA可重構簡介
??? 可重構體系結構指能夠利用可重用的硬件資源，根據(jù)不同的應用要求，靈活改變自身的體系結構，以便為每個特定的應用需求提供與之相匹配的體系結構?？芍貥嬰娐返脑O計可利用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)會自動丟失，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的可重構系統(tǒng)的可重構電路設計原理。
??? 設計時，可以通過開發(fā)單片機或CPLD器件來控制FPGA配置不同的邏輯功能以實現(xiàn)重構系統(tǒng)。FPGA有一個專用的配置引腳nCONFIG，在FPGA正常工作過程中，如果此引腳上加一個低電平脈沖，那么，當FPGA檢測到其上升沿后，F(xiàn)PAG將自動清除其內(nèi)部的配置存儲器，并進行重新配置，這樣，F(xiàn)PGA才能工作。利用這一特性，設計時便可通過用戶界面操作在FPGA的nCONFIG引腳上加一個低電平脈沖，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成對FPGA的重新配置。
??? 本設計是通過DSP處理器來接收PC主機的FPGA配置數(shù)據(jù)流，并開發(fā)CPLD器件以實現(xiàn)控制邏輯，最終把所需的FPGA配置數(shù)據(jù)流存儲到支持AS配置模式的EPCS配置芯片中，并實現(xiàn)FPGA配置數(shù)據(jù)流的更新，從而達到FPGA的重新配置，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可重構。其可重構電路由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)不同需求來選擇。EPCS配置芯片的擦除或編程次數(shù)可以達到十萬次左右，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，主要可參考對應的FPGA所用I／O bank的VCCIO引腳電平的選擇。

EPCS芯片的內(nèi)部結構框圖如圖1所示，EPCS配置器件與所配置的FPGA器件的連接引腳有時鐘輸入管腳DCLK?？蔀榇袛?shù)據(jù)的傳送提供時鐘，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)；第三是主動串行數(shù)據(jù)輸入管腳ASDI，負責接收來自FPGA的不同字符串以實現(xiàn)對EPCS的讀寫控制；另外，還有片選信號nCS。

??? 上位機通過下載線用Quartus軟件工具對EPCS配置芯片進行配置程序的燒寫操作，其配置文件必須為pof文件格式。在所設計的系統(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 可重構系統(tǒng)設計
??? 本設計主要是通過DSP的串口向CPLD器件發(fā)送控制命令以及要進行配置的數(shù)據(jù)包，CPLD解析命令后再執(zhí)行相應的操作，以完成EPCS配置芯片所需的下載時序及配置數(shù)據(jù)。當EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)下載完成后，再進行FPGA從配置芯片下載新的系統(tǒng)配置程序過程。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EPCS配置芯片進行控制時，首先要讓FPGA釋放對EPCS配置芯片的控制，而且，在對EPCS配置芯片寫數(shù)據(jù)的操作完成后，又要將控制權交與FPGA，以便FPGA能夠下載最后一次完成的配置程序。本系統(tǒng)的可重構原理圖如圖2所示。

??? FPGA可重構系統(tǒng)中，DSP通過一個串口與CPLD進行通信，串口由數(shù)據(jù)信號線BDX、幀信號線BFSX以及時鐘信號線BCLKX組成，所有的控制命令和程序數(shù)據(jù)都是通過這三條信號來傳送的。FPGA器件的CONF_DONE信號線、nSTATUS信號線和nCONFIG信號線均需要用大小為10kΩ的電阻上拉，而nCE信號線則需用10kΩ的下拉電阻。CPLD器件通過nCONFIG信號線和nCE信號線對EPCS配置芯片的控制權進行控制或釋放。當系統(tǒng)上電后，CPLD器件首先對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的配置過程是：FPGA通過nCSO管腳置EPCS配置芯片的nCS信號線為低電平，并通過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DATA0信號線將配置程序和數(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?，隨后進行FPGA初始化并進入工作狀態(tài)。
??? 當需要進行系統(tǒng)重構時，可由上位機向DSP器件發(fā)送控制命令以進行系統(tǒng)的重構操作。系統(tǒng)重構的流程圖如圖3所示，整個過程包括以下幾個步驟：

??? (1)上位機發(fā)送重構命令后，由DSP通過串口向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信號線置為低電平，并將nCE信號線置為高電平，從而取得對EPCS配置器件的nCS、DCLK、ASDI、DATA管腳的掌控權。此時，F(xiàn)PGA可釋放對EPCS的掌控權，但不讀取EPCS的配置程序數(shù)據(jù)。

(2)主機通過儀器接口向DSP器件發(fā)送所需要的重構數(shù)據(jù)，并存儲在DSP器件的數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)。經(jīng)實驗分析，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，而是需要進行一定方式的格式轉換，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)轉換的操作。
??? (3)在對EPCS配置芯片進行數(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，這一步的任務是向EPCS配置芯片發(fā)送控制命令，并打開寫使能，隨后發(fā)送擦除命令，將EPCS原有數(shù)據(jù)擦除。要注意的是，擦除時間必須大于3 s，否則不能完成擦除操作。
??? (4)為了確認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)命令也需要先打開寫使能，再發(fā)送讀狀態(tài)命令。如果擦除過程正在進行，則DATA信號線上會返回0000 0001的數(shù)據(jù)，擦除操作完成后，DATA信號線上將返回0000 0000的數(shù)據(jù)，此時便可以進行下一步的工作。
??? (5)當確認擦除操作完成后，就可以進行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應的存儲地址，數(shù)據(jù)存儲的首地址為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EPCS配置芯片的控制權，即置nCS、DCLK、ASDI、DATA信號線為高阻狀態(tài)，并將nCONFIG信號線由低電平置為高電平，nCE信號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，在檢測到nCONFIG信號線的上升沿后，F(xiàn)PGA將下載EPCS配置芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)進行重新配置，此過程與系統(tǒng)上電時的配置過程相同。經(jīng)過上述一系列的操作，便可實現(xiàn)一次FP-GA的重構過程。
2．4 系統(tǒng)設計特點
??? 本文所述的FPGA可重構設計方案可以在系統(tǒng)不關電的情況下進行重構過程，這樣就不會影響系統(tǒng)其它部分電路正在進行的工作，極大地方便了用戶的實際應用。當一次用戶所需的配置完成后，系統(tǒng)下次上電后就會自動執(zhí)行最后一次所重構的工作模式，不必每次上電進行重構工作。

3 可重構設計的驗證
??? 圖4所示是按照本系統(tǒng)設計的步驟要求，在數(shù)字化儀平臺上對可重構系統(tǒng)進行全面測試的部分重構波形變化圖，以此完成對主控邏輯功能的FPGA器件EP1C6Q24017的功能重構實驗驗證。

??? 圖4中所有波形圖的上面位置顯示的均為時鐘信號波形，其中圖4 (a)所示是打開EPCS配置芯片寫使能時，發(fā)送控制字的時序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號，指示寫使能控制字為“06”；圖4(b)所示是讀寫使能的狀態(tài)時序圖，圖中下面位置的波形為DATA0數(shù)據(jù)線上讀取的信號，指示狀態(tài)寄存器為“02”；圖4(c)所示是對EPCS配置芯片進行擦除操作的時序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號，指示擦除控制字為“C7”；圖4(d)所示是讀擦除操作的狀態(tài)時序圖，圖中下面位置的波形為DATA0數(shù)據(jù)線上讀取的信號，指示狀態(tài)寄存器為“03”；圖4(e)所示是對EPCS配置芯片進行寫數(shù)據(jù)操作的時序圖，圖中下面位置的波形為ASDO數(shù)據(jù)線上的信號，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。
??? 在滿足上述時序要求的條件下，當EPCS配置芯片的數(shù)據(jù)寫入完成后，F(xiàn)PGA即可進入配置文件所設計的工作模式，設計實驗結果完全符合預期的重構目標。經(jīng)過反復測試，該重構方式功能正常，能穩(wěn)定地完成系統(tǒng)所設計的不同重構工作。

4 結束語
??? 利用文本的方法對基于EPCS在線編程的FP-GA進行可重構設計，其硬件電路比較簡單，成本低，同時不需要增加太多的硬件資源(比如大容量的存儲器件等)，而且配置過程靈活方便，用戶只需要一個相應的配置文件數(shù)據(jù)包，即可完成系統(tǒng)重構功能。故此，這種FPGA的可重構設計具備廣泛的應用前景。