基于单片机的FPGA并行配置方法

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。

  

参考文献:

[1]. FLEX10K datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/FLEX10K_328755.html.
[2]. AT89C52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C52_1064535.html.
[3]. EPF10K10 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPF10K10_300893.html.
[4]. FLEX6000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/FLEX6000_1465078.html.
[5]. tbf datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/tbf_1580109.html.
[6]. P13 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/P13_2043489.html.