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FPGA器件的在线配置方法
摘要：介绍基于SRAM LUT结构的FPGA器件的上电配置方式；着重介绍采用计算机串口下载配置数据的方法和AT89C2051单片机、串行EEPROM组成的串行配置系统的设计方法及实现多任务电路结构中配置的方法，并从系统的复杂度、可靠性和经济性等方面进行比较和分析。引 言
??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。虽然这些器件应用广泛，但由于其内部采用SRAM工艺，它的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM的易失性，每次系统上电时，必须重新配置数据，即ICR(In-Circuit Reconfigurability)，只有在数据配置正确的情况下系统才能正常工作。在线配置方式一般有两类：一是通过下载电缆由计算机直接对其进行配置，二是通过配置芯片对其进行配置。通过PC机对FPGA进行在系统重配置，虽然在调试时非常方便，但在应用现场是很不现实的。上电后，自动加载配置对FPGA应用来说是必需的。Altera公司提供的配置芯片有一次可编程型和可擦除编程型两种：一次可编程型芯片只能写入一次，不适合开发阶段反复调试、修改及产品的方便升级；可擦除编程型价格昂贵，且容量有限，对容量较大的可编程逻辑器件，需要多片配置芯片组成菊花链形进行配置，增加系统设计的难度。
为了降低成本，目前在开发阶段多用可擦除型配置芯片；最终产品用不可擦写的配置芯片，但一次简单的代码更换就需要更换一次器件，这在产品升级时很不实用。至今还没有低成本的配置芯片出现，而我们采用的这套配置方案充分考虑了在FPGA实际使用中，对设计的保密性和设计的可升级的要求，不但可以实现代替价格昂贵的不可擦写和可擦写配置芯片，而且可以实现多任务电路结构重配置。该方案有PC机控制程序、单片机和外部串行存储器组成，只要通过替换外部串行存储器，就可实现对不同容量的多种配置芯片的代替。PC机是用来将配置数据写入存储器的，在写好数据后该配置系统不再需要PC机的控制，在单片机的控制下实现ICR或多任务电路结构重配置。多任务电路结构重配置即将多个配置文件分区存储到外部存储器中，然后由单片机接收不同的命令，以选择读取不同存储器区的数据下载到FPGA器件，实现在线配置成多种不同的工作模式。
图1
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
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。这五种方式都能适用于单片机配置。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。我们的配置方案也采用PS配置方式来实现ICR功能，图1是PS配置方式的时序图。
被动串行工作过程：当nconfig产生下降沿脉冲时启动配置过程，在dclk上升沿，将数据移入目标芯片。在配置过程中，系统需要实时监测，一旦出现错误，nSTATUS将被拉低，系统识别到这个信号后，立即重新启动配置过程。配置数据全部正确地移入目标芯片内部后，CONF_DONE信号跳变为高，此后，DCLK必须提供几个周期的时钟（具体周期数与DCLK的频率有关），确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。
Altera的MAX PLUS II或Quartus 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，而对于不同系列的目标器件配置数据的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf文件决定。.rbf文件即二进制文件。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，每一字节在配置时最低位最先被装载。微处理器可以读取这个二进制文件，并把它装载到目标器件中。Altera提供的软件工具不自动生成 .rbf文件，须按照下面的步骤生成：① 在MAX PLUS II编译状态，选择文件菜单的变换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)，然后确定。
2 配置电路结构和原理
2.1 串行通信的电路结构和原理
PC机与单片机的接口如图2所示。AT89C2051单片机通过串行口直接接收PC机传送来的串行数据，然后把接收到的数据存入数据存储器。由于PC机的串行口都是RS-232C标准的接口，所以，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89C2051在接口时会产生电平不同的问题。为了解决这个问题，在PC机和单片机的串行通信电路中加入了MAX232芯片，以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换。这样PC机和AT89C2051单片机进行串行通信时就可以顺利进行了。除了电路结构之外，要实现PC机和AT89C2051之间的通信，还需要有合适的通信软件。
2.2 ICR控制电路原理
ICR电路原理如图3所示。AT24C256用来存储FPGA的配置数据。
ICR控制电路的工作过程为：经MAXPLUS II编译生产的配置文件(.sof)通过格式转换成为 (.rbf)。然后，利用PC机端的控制程序，通过PC机的串行通信口，经U1存储在U2中。U1再根据系统的要求，通过P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5个I/O口，将其存储在U2中的配置数据下载到电路中的FPGA器件中去。
因作者设计电路中的FPGA是Altera公司的FLEX系列的EPF10K10，其配置文件的容量为15KB，故电路中采用1片AT24C128就可存储EPF10K10的配置数据。我们选用AT24C256器件可以存储两个配置文件，是为了实现多任务电路重构，此时整个ICR控制电路只有2片IC。可以说，它是目前结构最简单、成本最低的ICR控制电路。如果配置的FPGA是EPF10K30或更大门数的器件，则需要大容量的存储器件或多片AT24C256。（在两线串行总线上最多可接4片A
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