第6章 Altera公司FPGA的配置

6.1Altera公司的下载电缆针对FPGA器件不同的内部结构，Altera公司提供了不同的器件配置方式。AlteraFPGA的配置可通过编程器、JATG接口在线编程及Altera在线配置等方式进行。Altera器件编程下载电缆的有：ByteBlaster并行下载电缆，ByteBlasterMV并行下载电缆，MasterBlaster串行／USB通信电缆，BitBlaster串口下载电缆。1、ByteBlaster并行下载电缆ByteBlaster并行下载电缆是一种连接到PC机25针标准口（LPT口）的硬件接口产品。ByteBlaster并行下载电缆可以对FLEX10K、FLEX8000和FLEX6000进行配置，也可以对MAX9000（包括MAX9000A）、MAX7000S和MAX7000A进行编程。ByteBlaster为FPGA提供了一种快速而廉价的配置方法，设计人员的设计可以直接通过ByteBlaster下载电缆下载到芯片中去。（1）下载模式ByteBlaster并行下载电缆提供两种下载模式：①Passiveserialmode（PS，被动串行模式）用于配置FLEX10K、FLEX8000和FLEX600O系列器件。②JTAG模式采用工业标准的JTAG边界扫描测试电路（符合IEEE1149.1-1990标准）用于配置FLEX10K、MAX9000、MAX7000S和MAX7000A系列器件进行编程。（2）电缆插头与插座ByteBlaster与PC机并口相连的是25针插头，与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座。编程数据从PC机并口通过ByteBlaster电缆下载到电路板。连接示意图如图6.1所示。注意：利用ByteBlaster下载电缆配置／编程3.3V器件（如FLEX10KA、MAX7000A器件）时，要将电缆的VCC脚连到5.0V电源，而器件的VCC脚连到3.3V电源。FLEX10KA和MAX7000A器件能够耐压到5.0V，因此，ByteBlaster电缆的5.0V输出不会对3.3V器件造成损害，但5.0V电源中应连接上拉电阻。ByteBlaster与PC机并口相连的是25针插头，在PS模式下和在JTAG模式下的引脚信号名称是不同的，如表6.1所示。图6.1ByteBlaster与PC并口连接示意图ByteBlaster与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座，在PS模式下和在JTAG模式下的引脚信号名称如表6.2所示。注意：PCB板必须给下载电缆提供电源VCC和信号地GND。（3）电缆线ByteBlaster的电缆线一般使用扁平电缆，长度不超过30cm，否则带来干扰、反射及信号过冲问题，引起数据传输错误，导致下载失败。如果PC机并行口与PCB电路板距离较远，需要加长电缆，则可在PC机并行口和ByteBlaster电缆之间加入一根并行口连接电缆。（4）PCB电路板上的10针连接插头PCB板上的10针插头连接到FPGA器件的编程或配置引脚上，ByteBlaster下载电缆的10针插座连接到PCB板上的10针插头，ByteBlaster电缆通过10针插头获得电源并下载数据到FPGA器件上。2.ByteBlasterMV并行下载电缆ByteBlasterMV并行下载电缆具有与PC机25针标准并行口相连的接口，工作电压VCC支持3.3V或5.0V，允许PC机用户从MAX＋PLUS或QuartusⅡ开发软件中下载数据，通过PC机标准并行口在线编程MAX9000、MAX7000S、MAX7000A、MAX7000B和MAX3000A系列器件；可配置APEXⅡ、APEX20K（包括APEX20K、APEX20KE和APEX20KC）、ACEX1K、Mercury、FLEX10K（包括FLEX10KA和FLEX10KE）、FLEX8000和FLEX6000系列器件及Excalibur嵌入式微处理器。工作电压VCC支持3.3V或5.0V。使用与ByteBlaster并行口和BitBlaster串口下载电缆相同10针电路板连接器与FPGA应用电路板（PCB）连接。（1）下载模式ByteBlasterMV下载电缆提供两种下载模式：被动串行模式（PS）用于配置APEXⅡ、APEX20K、ACEXIK、Mercury、Excalibur、FLEX10K、FLEX8000和FLEX6000系列器件；JTAG模式具有标准的JTAG接口，用于编程或配置APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、Excalibur、FLEX10K、MAX9000、MAX7000S、MAX7000A、MAX7000B和MAX3000A系列器件。（2）连接ByteBlasterMV下载电缆与PC机并行口相连的是25针插头，与PCB电路板相连的是10针插座。数据从PC机并行口通过ByteBlasterMV电缆下载到电路板中。注意：为了利用ByteBlasterMV下载电缆配置1.5VAPEXⅡ、1.8VAPEX20KE、2.5VAPEX20K、Excalibur、Mercury、ACEXIK和FLEX10KE器件，3.3V电源中应该连接上拉电阻，电缆的VCC脚连到3.3V电源，而器件的VCCINT引脚端连到相应的2.5V、1.8V或1.5V电源。对于PS配置，器件的VCCIO引脚端必须连到2.5V或3.3V电源。对于APEXⅡ、Mercury、ACEX1K、APEX20K和FLEX10KE系列器件的JTAG在线配置，或MAX7000A和MAX3000A系列器件的JTAG在线编程，电缆的VCC引脚端则必须连接3.3V电源。器件的VCCIO引脚端既可连到2.5V，也可连到3.3V电源上。（3）电缆插头与插座ByteBlasterMV的25针插头，与ByteBlaster下载电缆的区别仅是第15脚不同，ByteBlaster连到GND，而ByteBlasterMV连到VCC。ByteBlasterMV的10针插座与ByteBlaster电缆的10针插座完全相同。PCB电路板上的10针连接插头与采用ByteBlaster下载电缆的方式完全相同。（4）软件编程和配置步骤使用ByteBlasterMV电缆和QuartusⅡ编程器，对一个或多个器件进行编程或配置的步骤如下：①对项目进行编译QuartusⅡ编译器对APEXⅡ、APEX20K、Mercury和Excalibur系列器件的配置自动产生.sof文件，为了对EPC配置芯片进行编程，就要用到.pof文件或JAMSTAPL格式文件。②连接ByteBlasterMV电缆到PC机的并行口，将10针插座插到包含目标器件的电路板中，电路板必须为ByteBlasterMV电缆提供电源。对于WindowsNT操作系统，在使用ByteBlasterMV电缆前必须安装驱动器。③打开QuartusⅡ编程器，在Processions菜单中选择OpenProgrammer，然后点击Setup命令，在编程器硬件部分指定ByteBlasterMV电缆和相应的LPT端口。④根据用户电路板上的器件连接方式，在模式项中选择PassiveSerial或JTAG模式，然后点击AddFile或AddDevice按钮，增加将要编程或配置的文件或器件，并建立一个器件链（chain）描述文件（.cdf）。编程器具有两种编程模式：被动串行（PS）与JTAG模式。在被动串行模式下，在器件链中选择.sof文件。在JTAG模式下，在器件链中应增加特定的器件和配置器件，除了.sof和.pof文件外，在器件链中对每个配置器件都有几个可编程选项，包括对照编程文件的数据校验一个EPC配置器件的内容，检测器件是否空，检查已编程器件并将其中的数据保存到文件中，或者使用其数据编程或校验其它的配置器件。⑤在QuartusⅡ软件的编程器中选择Start按钮开始编程或配置器件。ByteBlasterMV电缆从.sof、.pof文件中下载数据到目标器件。主系统通用10针标准配置/下载接口目标板10针标准配置接口PIN1OTP配置器件插座6.2使用ByteBlasterMV的两种配置模式Altera器件编程下载电缆与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座，在PS模式下和在JTAG模式下，完成对器件的配置。不同型号的下载电缆和器件，与下载电缆连接的电路不同。下面以MasterBlaster串行／USB通信下载电缆和ByteBlasterMV下载电缆为例，介绍下载电缆配置电路设计。1.PS（被动串行）模式在PS（被动串行）模式下，MasterBlaster下载电缆和ByteBlasterMV下载电缆可以对单个与多个APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件进行配置。在PS模式，配置数据从数据源通过MasterBlaster下载电缆和ByteBlasterMV下载电缆串行地传送到器件，配置数据由数据源提供的时钟同步。（1）PS模式单个器件的配置电路设计PS模式可以完成对单个APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的配置，配置电路如图6.2所示。图中：除APEX20KE、APEX20KC系列器件外，上拉电阻应该连接到MasterBlaster（VIO脚）或ByteBlasterMV的电源。对于APEX20KE、APEX20KC器件使用10kΩ电阻上拉nCONFIG到VCCINT。MasterBlaster和ByteBlasterMV电缆的电源电压VCC为3.3V或5.0V。插座上的引脚端6为MasterBlaster电缆提供的VIO基准电压，VIO应与器件的VCCIO匹配。ByteBlasterMV电缆插座上的引脚端6不连接。图6.2PS模式单个器件的配置电路在图6.3电路中，在器件链中将每个器件的nCEO引脚端连接到下一个器件的nCE引脚端，所有其它配置引脚端应分别连接在一起，器件链中的第一个器件的nCE引脚端连接到地，最后一个器件的nCEO引脚端悬空。在PS模式中，由于所有的CONF-DONE引脚端连接在一起，器件链中的所有器件初始化时同时进入用户模式。另外，由于所有的nSTATUS引脚端连接在一起，如果任何一个器件检测到错误，则整个器件链中断配置。图6.3PS模式多个器件的配置电路2.JTAG摸式在JTAG模式下，MasterBlaster通信电缆和ByteBlasterMV下载电缆可以完成单个和多个APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的编程或配置。（1）JTAG模式单个器件的配置电路设计JTAG模式可以完成对单个APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的配置，配置电路如图6.4所示。图6.4JTAG模式单个器件的配置电路（1）JTAG模式单个器件的配置电路设计图6.4中，器件的配置是通过JTAG引脚端TCK、TMS、TDI和TDO完成的。上拉电阻应该连接到电缆的电源，APEX20KE、APEX20KC系列器件所有的上拉电阻均为10kΩ。采用144引脚TQFP封装的FLEX10K器件没有TRST信号脚，此时TRST信号可以忽略。nCONFIG、MSELO、MSEL1引脚端应采用支持非JTAG配置模式的方式连接，如果仅仅使用JTAG配置模式，则nCONFIG引脚端应连接到VCC，MSELO和MSELI引脚端应连接到地。MasterBlaster电缆驱动器的参考电压VIO应与器件的VCCIO匹配。APEXⅡ、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K系列器件都有专用的JTAG引脚端，具有JTAG引脚端的一般功能，在配置前后都可进行JTAG测试，并不仅仅限于配置过程中。器件的芯片复位及输出使能引脚端，不影响JTAG边界扫描测试或编程操作