xilinx-FPGA的配置设计

第6章FPGA的下载配置电路设计内容提要本章介绍了Xilinx公司的FPGA下载配置模式，Virtex-Ⅱ系列器件下载配置流程、模式和电路设计，Altera公司的下载电缆的结构和下载模式，Altera公司的下载电缆的配置电路设计，Altera公司的配置芯片和配置芯片构成的配置电路设计。知识要点：下载配置模式下载配置流程下载电缆配置芯片配置电路设计教学建议:本章的重点是掌握Xilinx公司和Altera公司的FPGA器件的下载配置电路设计。建议学时数为4学时。注意区分Xilinx公司和Altera公司的FPGA器件的下载配置电路设计的不同点。注意同一公司，不同下载模式的下载配置电路的设计也是不同的。注意不同型号的配置芯片使用方法以及配置电路的设计，多个器件配置电路的连接方法。本章给出了一些典型的设计例，学习中可以通过改变器件型号和配置模式，进行配置电路设计的练习，加深对问题的理解。6.1Xilinx的FPGA下载配置电路设计6.1.1XilinxFPGA的下载配置模式针对不同的器件类型和应用场合，Xilinx公司为其FPGA系列产品提供了多种下载配置模式，如下所示：1.JTAG模式JTAG模式是基于IEEE1149.1和IEEE1532的下载配置模式，通过TDI（数据输入）、TDO（数据输出）、TMS（测试模式）和TCK（测试时钟）等四根信号线实现FPGA的下载与配置。在JATG模式中需要其他可编程微控制器的支持。2.Parallel模式Parallel模式仅支持Virtex系列和SpartanⅡ系列器件，通过8bit的并行数据下载，实现FPGA的高速配置。Parallel模式的配置时钟CCLK由FPGA外部提供。3.MasterSerial模式MasterSerial模式支持Xilinx公司的所有FPGA产品。MasterSerial模式通过读取串行PROM的数据，实现FPGA的在线配置。在MasterSerial模式中必须使用Xilinx公司专用的PROM。MasterSerial模式的配置时钟CCLK源于FPGA内部。4.SlaveSerial模式SlaveSerial模式支持Xilinx公司的所有FPGA产品。SlaveSerial模式类似于MasterSerial模式，但其配置时钟CCLK由FPGA外部提供。在SlaveSerial模式中需要其他可编程微控制器支持。5.MasterSelectMAP模式MasterSerialMAP模式支持Virtex-Ⅱ等FPGA产品。MasterSerialMAP模式通过读取串行PROM的数据，实现FPGA的在线配置。在MasterSelectMAP模式中必须使用Xilinx公司专用的PROM。MasterSerialMAP模式的配置时钟CCLK源于FPGA内部。6.SlaveSelectMAP模式SlaveSelectMAP模式支持Virtex-Ⅱ等FPGA产品。SlaveSelectMAP模式类似于MasterSerialMAP模式，但其配置时钟CCLK由FPGA外部提供。在SlaveSelectMAP模式中需要其他可编程微控制器的支持。6.1.1XilinxFPGA的下载配置模式Xilinx公司提供两种PROM对其FPGA系列产品进行在线配置。其中，XC1800系列PROM可多次擦写，支持JTAG在线编程。XC1700系列PROM为一次性编程器件，不支持JTAG在线编程。使用第三方编程器对Xilinx公司的PROM系列产品进行下载配置时，需要对FPGA设计文件进行格式转换。在同一个FPGA的下载配置电路中，为了满足不同应用要求，可以通过改变FPGA的M2、M1和M0管脚连接，实现FPGA下载配置模式的切换，即利用同一下载配置电路可以实现多种下载配置模式。在实际应用中，使用嵌入式下载配置方式，可以节约成本和简化PCB板设计。嵌入式下载配置利用微处理器或其他可编程控制器件，对FPGA产品进行下载配置。在嵌入式下载配置过程中，M2、M1、M0引脚端应设置为JTAG、SlaveSerial或SlaveSelectMAP模式，下载配置的数据可以存放在Xilinx公司专用PROM或其他存储器件中。当M2、M1、M0设置为SlaveSerial模式时，通过控制PROG＿B引脚端，可以实现FPGA的重新配置。当M2、M1、M0设置为SlaveSelectMAP模式时，通过控制PROG＿B、RDWR＿B和CS＿B引脚端，可以实现FPGA的重新配置和部分配置。6.1.2Virtex-Ⅱ系列器件下载配置电路设计Xilinx公司不同类型的FPGA器件下载配置模式不完全相同，下面以Virtex-Ⅱ系列器件为例说明Xilinx公司的FPGA的下载配置设计过程。Virtex-Ⅱ系列器件的下载配置流程Virtex-Ⅱ系列器件的下载配置流程如图6.1.1所示，主要包括：（1）PowerUp（加电）PowerUp是Virtex-Ⅱ系列器件的加电过程。其中，内核电压VCCINT＝1.5V，I／OBank4的VCCO和VCCAUX的供电电压应大于1.5V。（2）ClearConfigurationMemory（清配置存储器）清配置存储器的触发条件是将PROG＿B引脚端置低，并保持低电平大于300ns。FPGA的所有与配置无关的引脚端将保持3态，INIT-B和DONE引脚端为低电平。（3）初始化将INIT-B引脚端置为高电平，采样模式控制引脚端（SampleModePins），并读入M2、M1和M0。如果在初始化过程中保持INIT-B为低电平，可以延迟配置数据的下载过程。MasterSerial/MasterSelectMAPCCLKBegins（MasterSerial/MasterSelectMAP模式CCLK启动）。（4）LoadConfigurationDataFrames（下载配置数据）在配置数据的下载过程中，将对配置数据进行CRC校验（CRCCorrect）。如果CRC出现错误，INIT-B引脚端将被重新置为低电平，并终止器件的启动过程。（5）器件启动（Start-Up）Virtex-Ⅱ系列器件的器件启动顺序可以在软件中改动，其默认的启动顺序是：①释放DONE引脚端；②将GTS置低，激活所有1／O引脚端；③将GWE置位，释放所有的RAM和逻辑单元；④将EOS置位。图6.1.1Virtex-Ⅱ系列器件的下载配置流程Virtex-Ⅱ系列器件下载配置模式设置Virtex-Ⅱ系列器件支持“MasterSerialProgrammingMode”、“MasterSelectMAPProgrammingMode”“SlaveSerialProgrammingMode”“SlaveSelectMAPProgrammingMode”“JTAG/BoundaryScanProgrammingMode”。设置Virtex-Ⅱ系列器件的M2、M1、M0引脚端状态，可以确定下载配置模式，如表6.1.1所示。表6.1.2Virtex-Ⅱ系列器件与下载配置电路有关的引脚端3.Virtex-Ⅱ系列器件的下载配置电路设计（1）Virtex-Ⅱ下载配置端在Virtex-Ⅱ系列器件中与下载配置电路有关的引脚端如表6.1.2所示。应注意的是：Virtex-Ⅱ系列器件中与下载配置有关的引脚端，有一部分是专用引脚端，另一部分是可以作为用户1／O的复用引脚端。考虑到设计的稳定性，建议不使用这部分复用引脚端。（2）Virtex-Ⅱ加电要求为保证Virtex-Ⅱ系列器件的正常加电，Xilinx公司在Virtex-Ⅱ数据手册中规定：①VCCINT、VCCAUX和Vcco的加电过程既不应快于1ms，也不应慢于50ms。②Virtex-Ⅱ加电过程中的最小电流要求不同型号是不同的，设计时需要根据具体的型号设计下载配置电路。③VCCINT、VCCAUX和Vcco的加电顺序没有具体要求。一般，在保证VCCINT和Vcco的电气参数情况下，采用先VCCINT后Vcco的加电顺序，将提高FPGA系统的使用稳定性。（3）Virtex-Ⅱ下载配置电路设计设计过程中，首先应该熟悉下载配置引脚端和Virtex-Ⅱ加电要求，然后依据选定的下载配置模式进行下载配置电路设计。Xilinx公司针对不同类型的FPGA器件提供了相应的下载配置电路，XIlinx公司提供的Virtex-Ⅱ系列器件下载配置电路如图6.1.2～图6.1.9所示。图6.1.2为使用SystemACE™（SystemAdvancedConfigurationEnvironment）配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路，电路利用ACEController（ACE微控制器）和ACECompactFlash完成Virtex-Ⅱ的下载配置。图6.1.3为使用CPLD和PROM配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路图6.1.4为使用EPROM配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路。图6.1.5为MasterSerialMode配置电路。图6.1.6为Master/SlaveSerialMode配置电路。图6.1.7为MasterSelectMAPProgrammingMode配置电路。图6.1.8为SlaveSelectMAPMode配置电路。图6.1.9为JTAGMode配置电路。图6.1.2使用SystemACE™配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路图6.1.3使用CPLD和PROM配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路图6.1.4使用EPROM配置Virtex-Ⅱ的下载配置电路图6.1.5MasterSerialMode配置电路图6.1.6Master/SlaveSerialMode配置电路图6.1.7MasterSelectMAPMode配置电路图6.1.8SlaveSelectMAPMode配置电路图6.1.9JTAGMode配置电路