基于单片机的FPGA并行配置方法

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:讨论了基于SRAM技术的可编程逻辑器件FPGA的编程方式,并以ALTERA公司FLEX10K系列器件为例,提出了一种利用单片机AT89C52对FPGA进行在线PPA(被动并行异步)配置的实用方法。实践表明,用单片机对FPGA进行并行配置,具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点,该方法可以广泛地应用于不同领域。 关键词:单片机 PPA FPGA 配置 在当今变化的市场环境中,产品是否便于现场升级、是否便于灵活使用,已成为产品能否进入市场的关键因素。在这种背景下,Altera公司的基于SRAM LUT结构的FPGA器件得到了广泛的应用。这类器件的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM的掉电易失性,系统每次上电时,必须重新配置数据,只有在数据配置正确的情况下系统才能正常工作。这种器件的优点是可在线重新配置ICR(In-Circuit Reconfigurability),在线配置方式一般有两类:一是通过下载电费由计算机直接对其进行配置;二是通过微处理器对其进行配置。前者调试时非常方便 ,但在应用现场是很不现实的。因此,如果系统重新上电时,系统本身具有自动加载可编程逻辑器件的编程文件,完成对可编程逻辑器件的配置,就可以省去了通过手工由下载电费对器件进行配置的过程。这种自动加载配置对FPGA的某些应用来说是必需的,在笔者参与研制的一种干扰系统中,利用单片机AT89C52对FLEX10K系列FPGA中的EPF10K10进行在线并行配置,取得了良好的效果。 1 FPGA器件的配置方式和配置文件 1.1 FPGA器件的配置方式 ALTERA公司生产的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它们的配置方式可分为PS(被动串行)、PPS(被动并行同步)、PPA(被动并行异步)、PSA(被动串行异步)和JTAG(Joint Test Action Group)等五种方式。这五种方式都适用于单片机配置。PS方式因电路简单,对配置时钟的要求相对较低而被广泛应用。相比而方,采用PPA配置的方案却很少见到。但由于PPA配置模式为并行配置,其配置速度快,且配置时钟由FPGA内部产生(而PS等配置模式需要外加配置时钟),故其更有利于在线实现。本文的配置方案便是采用PPA配置方式实现的。 图1 1.2 FPGA器件的配置文件 ALTERA的MAX+PLUS II开发工具可以生成多种配置或编译文件,用于不同配置方法的配置系统。对于不同的目标器件,配置数据的大小不同,配置文件的大小一般由.tbf文件(即二进制文件)决定。本实例中,EPF10K10的配置文件.rbf的大小为15k。该文件包括所有的配置数据,一个字节的.rbf文件有8位配置数据。由于Altera提供的软件工具不自动生成.rbf文件,故文件需按照下面的步骤生成:①在MAX+PLUS II编译状态下,选择文件菜单中的变换SRAM目标文件命令;②在变换SRAM目标文件对话框,指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential),之后予以确定。 2 硬件电路设计 AT89C52对EPF10K10并行配置的硬件电路示意图如图1所示。经MAX+PLUS II编译生成配置文件(.sof),通过格式转换成为(.rbf)文件并存储在图中所示的存储器中。当使用PPA配置方式时,需要将MSEL1和MSEL0置为高电平。为了不使DCLK出现不确定信号,必须将其经过1kΩ电阻上拉到Vcc。在采用PPA配置方式时,nCS和CS两个片选信号只需用一个。因此,如果采用其中一个作为片选信号,另一个必须直接置为有效位;如果选用CS作为片选信号控制配置,nCS必须接地;如果选用nCS作为片选信号控制配置,CS必须接高电平。本实例中采用后者。NRS为读选通输入信号,它为低输入时,FLEX10K将RDYnBSY信号置于DATA7引脚。当nRS不用时,必须将其置为高。nCE为FLEX10K器件的使能输入,nCE为低时使能配置过程。当器件是单片配置时,nCE必须始终为低。由于本实例为单片配置,故将nCE直接接地。然后将EPF10K10的nCONFIG、CONF_DONE、nSTATUS、RDYnBSY分别接到AT89C52的P17、P14、P13引脚上。DATA[7..0]接到AT89C52的P07~P00。NWs为写选通输入,由低到高跳变时锁存DATA[7..0]引脚上的字节数据。要注意的是,nSTATUS引脚和CONF_DONE引脚是双向漏极开路输出,在作输出使用时,应用经过1.0kΩ的电阻上拉到Vcc。 图2 3 软件设计 3.1 配置原理 PPA配置方式的下载时序如图2所示。由图可以看出PPA模式的工作过程如下: (1)启动配置 在nCONFIG引脚上产生一个低脉冲,等待nSTATUS回应一个低脉冲以及CONF_DONE变低。在nCONFIG跳高后4μs,内nSTATUS也跳高,表示FPGA可以配置了。 (2)配置过程 在对FPGA进行配置时,单片机将8位的配置数据放在FPGA器件的数据端,并且给nWS一个负脉冲,在nWS的上升沿,FPGA器件将该字节配置数据锁存;然后FPGA器件驱动RDYnBSY为低,表示它正在处理该字节信息,配置过程可以通过nCS和CS引脚暂停。当RDYnBSY为低电平时,FLEX10K器件利用其内部振荡器(其频率一般为10MHz)在其内部将每一个字节的配置数据串行化。当FLEX10K器件准备接收下一个配置数据时,就使RDnBSY变高。单片机检测该高电平信号后,送出下一个字节的数据。这一过程一直持续到全部数据配置完成。在配置过程中,系统需要进行实时监测,一旦出现错误,nSATUS将被拉低,系统必须能识别出这个信号,并重新启动配置过程。 图3 (3)结束配置 配置数据全部正确写入芯片内部后,器件释放CONF_DONE,由外部将其拉高。如果单片机检测到这个信号,则表明配置成功;否则,要对其重新配置。 3.2 配置软设计 单片机实现配置过程的控制程序流程图如图3所示。 汇编程程序设计如下: nCONFIG EQU P1.7 nSTATUS EQU P1.5 RDYnBSY EQU P1.3 CONF_DONE EQU P1.4 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H ;对数据长度相关进行初始化,其中所要配置的数据长度放在地址为0000H和0001H中 ;0000H放数据长度的低位,0001H放数据长度的高位 ;从0002开始放置的是所要配置的数据 MAIN:MOV DPTR,#0000H MOVX A,@DPTR MOV R3,A; R3放配置数据个数的低位 MOV DPTR,#0001H MOVX A,@DPTR MOV R4,A; R4放配置数据个数的高位 MOV R5,#00H ;放配置数据个数的低位 MOV R6,#00H ;放配置数据个数的高位 ;以下是将数据进行配置的子程序 COFIG:MOV DPTR,#0002H CLR P1.7 ACALL DELAY4 ;延时约为15μs JB nSTATUS,COFIG ;检测FPGA是否响应置低位 SETB nCONFIG ;FPGA响应置低位后,将nCONFIG置高位 STA_JUDGE:JB nSTATUS,COFIG_BEG;等待FPGA是否响应置高位,然后准备进行配置 LJMP STA_JUDGE COFIG_BEG:ACALL DELAY2 LJMP SEND_DATA READY_DATA1:JNB nSTATUS,COFIG SEND_DATA:MOVX A,@DPTR ;读取数据 PUSH DPH PUSH DPL MOV DPTR,#7000H ;读入FPGA地址 JNB P1.3,$ ;判断RDYnBSY的状态 MOVX @DPTR,A ;配置数据 POP DPL POP DPH INC DPTR ;以下实现配置个的判断 CLR C; MOV A,#01H ADD A,R5 MOV R5,A MOV A,#00H ADDC A,R6 MOV R6,A MOV A,R5 CJNE A,03H,RESESH_COFIG MOV A,R6 CJNE A,04H,RESESH_COFIG CON_REFRESH:ACALL DELAY2 ;延时5μs,JB P1.4,END1 ;判断CONF_DONE的状态,看是否配置成功 LJMP COFIG PESESH_COFIG:LJMPREADY_DATA1 ;延时子程序,延时约为5μs DELAY2:NOP NOP NOP NOP NOP RET ;延时子程序,延时约为15μs DELAY4:MOV R1,#08H DJNZ R1,$ RET END1:END 本文讨论的基于单片机的FPGA并行配置方法具有线路结构简单、开发容易、成本低的特点。与常用的串行配置方法相比,该配置方法更具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点。虽然该配置控制电路是为配置ALTERA公司FLEX10k系列的FPGA器件而设计的,但稍加修改也适用于其它系列的FPGA器件,故其有一定的通用性。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/11238.html
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