第6章CPLD配置讲稿

中国矿大信电学院第六章CPLD/FPGA的配置与下载中国矿大信电学院6.1CPLD/FPGA器件的配置▲把CPLD/FPGA设计代码送入芯片的过程（或做法）称为对CPLD/FPGA器件的配置，也称为下载。▲经过配置的CPLD芯片，就成为具有用户需要功能的专用数字电路或数字系统。器件编程下载的分类：▲对CPLD/FPGA芯片进行编程配置的方式有多种。1、按使用计算机的通讯接口划分，有：（1）串口下载（BitBlaster或MasterBlaster）、（2）并口下载（ByteBlaster）、（3）USB接口下载(MasterBlaster或APU)等方式。中国矿大信电学院2、若按使用的CPLD/FPGA器件划分，有：1）CPLD编程（适用于片内编程元件为EPROM、E2PROM和闪存的器件）；2）FPGA下载（适用于片内编程元件为SDRAM的器件）3、按CPLD/FPGA器件在编程下载过程中的状态划分，有1）主动配置方式。在这种配置方式下,由CPLD器件引导配置操作的过程并控制着外部存贮器和初始化过程；2）被动配置方式。在这种配置方式下,由外部CPU或控制器（如单片机）控制配置的过程。中国矿大信电学院FLEXl0K/EP1K系列器件有五种配置方式：中国矿大信电学院中国矿大信电学院CPLD/FPGA器件的工作状态CPLD/FPGA器件按照正常使用和下载的不同过程其工作状态分为三种：1、用户状态(Usermode)即电路中CPLD器件正常工作时的状态；2、配置状态(Configurationmode)指将编程数据装入CPLD/FPGA器件的过程，也可称之为下载状态；3、初始化状态(Initialization)此时CPLD/FPGA器件内部的各类寄存器复位，让I／O引脚为使器件正常工作作好准备。中国矿大信电学院ALTERA的编程文件ALTERA公司的开发系统MAX+PLUSⅡ可以生成多种格式的编程数据文件。对于不同系列器件,所能生成的编程/配置文件类型有所不同,但大致可有下面几种类型:①SRAMObject格式（.sof）:SOF格式文件用于FLEX器件的BitBlaster或Byteblaster被动配置方式。MAX+PLUSII编译综合工具会在编译综合过程中自动为FLEX系列器件生成SOF数据格式文件,其它数据格式均可由该种格式转化而成。②ProgrammingObject格式（.pof）:POF格式文件用于对MAX系列器件编程配置,也可以用于对采用EPROM配置方式的FLEX器件进行配置。POF文件也是由MAX+PLUSII软件在编译综合过程中自动产生。中国矿大信电学院③十六进制格式（.hex）:HEX格式文件是使用第三方编程硬件对并行EPROM编程的数据文件，从而可以将并行EPROM作为数据源,用微处理器对FLEX器件进行被动串行同步（PS）配置或被动串行异步（PSA）配置。④ASCII码文本格式（.ttf）:TTF格式文件适用于被动串行同步（PS）配置和被动串行异步（PSA）配置类型,它在配置数据之间以逗号分隔。中国矿大信电学院MAX系列非易失性器件的下载配置对于编程元件为E2PROM或闪存的CPLD器件(如MAX系列器件等)，只需简单的利用专门的编程下载电缆（名为ByteBlaster或BitBlaster，很容易由用户自制）将编程配置数据下载到芯片中去即可。一、JTAG接口与使用的引脚▲ALTERA公司现在生产的CPLD器件一般都有“JTAG”接口。▲JTAG(JointTestActionGroup)：联合测试行动组。▲该行动组制定了一种VLSI器件的测试标准，称为IEEEll94.1－1990边界扫描测试标准(简称为BST，BoundaryScanTesting)，解决了VLSI器件密度增高及I/O引脚数量增加带来的对电路板及器件测试困难的问题。为此使用的接口（和引脚）称为JTAG接口。▲ALTERA器件的JTAG都具有第二功能，即除了能作为边界测试功能外还可以利用JTAG接口进行器件编程，编程时序同样遵循1149.1协议中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院ByteBlaster10针示意图中国矿大信电学院Byteblaster下载线的接口电路中国矿大信电学院ByteBlaster不但可以用来对MAX9000以及MAX7000S／MAX7000A等器件进行编程配置，而且可以用来对FLEX系列器件进行配置重构。ByteBlaster有两种配置模式：1)边界扫描模式(JTAG)配置一对具有边界扫描电路的器件进行配置重构或在线编程。可用来对具有JTAG接口的MAX系列器件及FLEX/ACEX系列器件进行编程配置。2)被动串行模式(PS)配置一用来对支持PS下载配置模式的FLEX/ACEX系列器件进行配置。如FLEX10K/ACEX1K、FLEX8000和FLEX6000等系列器件，可采用PS模式进行配置。中国矿大信电学院JTAG接口JTAG接口使用TDI、TDO、TCK、TMS四个管脚。其中：TDI：串行数据输入端，TDO：串行数据输出端，TCLK：串行时钟，TMS：JTAG状态机模式控制端。TDI、TDO、TMS的数据在TCLK时钟的配合下，将数据串行移位到CPLD内部JTAG移位寄存器中。中国矿大信电学院用Byteblaster下载线进行下载配置引脚JTAG模式被动串行（PS）模式信号名称描述信号名称描述1TCK时钟DCLK时钟2GND信号地GND信号地3TDO器件输出数据CONFIG_DONE配制结束标志4VCC电源VCC电源5TMS方式控制—NC6—NC—NC7—NCnSTATUS配制状态8—NC—NC9TDI数据发送端DATA0配制数据端10GND信号地GND信号地中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院FLEX/ACEX系列FPGA的下载配置用Byteblaster下载线进行被动串行（PS）配置的方法：进行被动串行（PS）配置时使用的芯片引脚是：▲DCLK：配置时钟。适用于AS，PS和PPS模式，输入引脚，为外部数据源提供时钟。▲CONFIG_DONE：配置完成▲nSTATUS：配置状态▲DATA0：配置数据。适用于AS和PS模式，数据输入Byteblaster下载线一端接在PC机的并口，另一端接在FPGA芯片的上述配置引脚上，在MAXPLUSⅡ开发系统的支持下，就把配置数据写入到FPGA芯片中。中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院FLEX/ACEX系列FPGA的下载配置但是对于编程元件为SRAM的FPGA器件(如FLEX6000、FLEX8000、FLEX10K、ACEX1K、APEX20K系列等)，虽然也能像MAX系列器件那样利用简单的专门下载电缆来对FPGA器件进行编程配置，但由于这类器件具有编程数据易失性的特性，所以存在一个对于芯片进行外部配置的问题。一般是将编程配置数据永久性的存储在外部的闪存或E2PROM中，供FPGA器件每次在系统通电时调入这些编程配置数据。否则用户就需要在每次系统通电时都需要利用PC机进行对FPGA器件进行的编程写入的操作。中国矿大信电学院主动串行配置（AS)或EPC1配置方式主动串行配置方式（AS,Active-SerialConfiguration）一直由FLEX10K控制着配置过程，由Altera提供的串行PROM存储芯片EPC1向FLEX10K器件输入串行位流的配置数据。此时nCONFIG引脚为Vcc。在加电过程中，FLEX10K检测到nCONFIG由低到高的跳变时，就开始准备配置FLEX10K将CONF_DONE拉低，驱动EPC1的nCS为低，而nSTATUS引脚释放并由上拉电阻拉至高电平以使能EPC1。因此，EPC1就用其内部振荡器的时钟将数据串行地从输送到FLEX10K(DATA0).一般使用通用编程器先将配置数据写入到EPC1中。如下图所示：中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院被动串行配置（PS）方式在被动串行配置（PS）方式中，从PC机的串口发出编程数据，由BitBlaster下载电缆或接口微处理器产生一个由低到高的跳变送到nCONFIG引脚，然后微处理器或编程硬件将配置数据送到DATA0引脚，该数据被琐存，直至CONF_DONE变为高电平。它先将每字节的最低位LSB送到FPGA器件。CONE_DONE变为高电平后，DCLK必须有多余的10个周期来初始化该器件，器件的初始化是由下载电缆自动执行的，如下图所示。在PS方式中没有握手信号，所以，配置时钟的工作频率必须要低于10MHz。中国矿大信电学院用微处理器来进行PS方式配置的示例中国矿大信电学院利用微处理器进行多器件配制电路在多器件PS方式中，第一片FLEX10K的nCEO引脚级联到下一片FLEX10K的nCE引脚。在一个时钟周期之内，第二个FLEX10K器件开始配置，因此，对于微处理器来说，要转移的数据是透明的，如下图所示。中国矿大信电学院用微处理器对FPGA进行PPS方式配置。在PPS方式配置(被动并行同步配置)方式中，从PC机的并口发出编程数据，nCONFIG引脚被智能主机（如单片机）所控制。下图给出了利用MCU+SEEPROM来进行FPGA的PPS方式配置。使用的芯片引脚：▲MSEL1／MSEL0，配置方式选择。00：AS或PS10：PPS11：PPA▲nSTATUS：配置状态，▲CONFIG_DONE：配置完成▲nCONFIG：配置控制信号输入；低电平使器件复位，在由低到高的跳变过程中启动配置过程。▲nCE:器件的使能输入。配置过程中，nCE必须始终为低。▲DCLK：配置时钟。适用于AS，PS和PPS模式，输入引脚，为外部数据源提供时钟。▲DATA0：配置数据。适用于AS和PS模式，数据输入。中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院被动并行异步（PPA）配置方式在PPA方式下，从PC机的串口发出编程数据，nCONFIG一般由单片机控制。为了启动配置过程，单片机将nCONFIG置为高电平，然后再把控制信号nCS和CS送到FLEX10K器件的nCS和CS端。之后单片机将8bit的配置数据放在FLEX10K器件的数据端，并且给nWS一个负脉冲。在nWS的上升沿，FLEX10K器件将该字节配置数据锁存，然后，FLEX10K器件输出RDYnBSY为低，表明它正在处理该字节信息，此时单片机可以完成其他的系统操作。配置过程可以通过nCS或CS引脚予以暂停。下图示意了PPA配置方式，其中有一个地址解码器控制着nCS和CS引脚。该电路允许单片机通过处理特殊地址来选择地址FLEX10K器件，以求简化配置过程。中国矿大信电学院被动并行异步（PPA）配置方式FLEX10K器件可以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RDYnBSY变高，而单片机检测该高电平信号后，再决定是否送出下一个字节的配置数据。同样，nRS信号决定了RDYnBSY信号出现在DATA7上。当nRS为低时，不允许数据输出到数据总线上，因为那样可能会在DATA7上引起竞争。如果nRS信号不用，它就必须为高电平。PPA方式同样可以用来配置多个FLEX10K器件。同样，在用单片机来进行PPA配置时，需要对单片机进行恰当的编程，使之不仅能从PC机串口接收串行数据，也能将收到的串行数据实时的写入到FLASH存储器中去。中国矿大信电学院中国矿大信电学院中国矿大信电学院课程结束！2014－21