摘? 要: 通過對(duì)比多種FPGA數(shù)據(jù)加載方式,從可靠性、經(jīng)濟(jì)性及PCB設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面說明了串行加載的優(yōu)越性,分析了目前串行加載所面臨的問題。為解決串行加載新面臨的問題,提出了采用EEPROM與9500系列CPLD相結(jié)合實(shí)現(xiàn)串行加載的構(gòu)想,并通過實(shí)際設(shè)計(jì),成功地實(shí)現(xiàn)了該構(gòu)想。
關(guān)鍵詞: FPGA? CPLD? EEPROM? 并-串轉(zhuǎn)換
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自大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件問世以來,先后出現(xiàn)了兩類器件,一類是基于SRAM體系結(jié)構(gòu)的FPGA系列,如XILINX公司的4000系列和最新的Virtex系列;另一類是基于fastFLASH技術(shù)的CPLD器件,如XILINX公司的9500系列和Lattice公司的ispLSxx系列芯片。FPGA具有容量大、設(shè)計(jì)資源豐富、片內(nèi)ROM及RAM設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)[1],但是它們需要在每次上電時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加載。目前實(shí)現(xiàn)加載的方法有以下三種:①采用PROM并行加載;②采用專用SROM串行加載;③采用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)加載。第一種方式需要占用較多的FPGA管腳資源,雖然這些管腳在加載完成后可用作一般I/O口,但在加載時(shí)不允許這些管腳有其他任何外來信號(hào)源;另外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器PROM與FPGA之間的大量固定連線如8位數(shù)據(jù)線以及大量訪問PROM的地址線等,使得PCB設(shè)計(jì)不便。但是第一種方式有一個(gè)有利的方面,即PROM的容量較大、容易購(gòu)置、價(jià)格低、技術(shù)支持(編程器)較好。第二種方式情況剛好與第一種方式相反,即占用資源少、PCB布板方便,但是容量小、價(jià)格較高、兼容性差。第三種方式采用單片機(jī)控制,由PROM中讀取并行數(shù)據(jù),然后再串行送出。由于涉及到單片機(jī)編程,對(duì)于開發(fā)者來說較為不便;另外,如果單片機(jī)僅用來實(shí)現(xiàn)該任務(wù),較為浪費(fèi)硬件資源。CPLD的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)專用開發(fā)工具,通過JTAG口直接一次性實(shí)現(xiàn)編程數(shù)據(jù)加載,并永久保留,除非進(jìn)行再次編程(與GAL器件相似)。該類器件比較適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,但是由于其數(shù)據(jù)的加載必須通過計(jì)算機(jī),因此對(duì)于從事野外作業(yè)者來說會(huì)產(chǎn)生不便。
通過上述比較,并結(jié)合實(shí)際工作情況,我們認(rèn)為采用串行數(shù)據(jù)加載比較方便、可靠(這種可靠性得益于FPGA與SROM之間較少的接口線)。但隨著FPGA規(guī)模的不斷升級(jí),其CONFIG數(shù)據(jù)量越來越大,截止到本文寫作時(shí),CONFIG數(shù)據(jù)量最大已到6MBIT,雖然XILINX公司有相關(guān)的XC17X系列SROM提供使用,但皆為一次性芯片[2]、開發(fā)成本較高、代理商供貨周期長(zhǎng)、價(jià)格較高,這給FPGA的應(yīng)用及普及帶來很大的障礙。我們?cè)褂眠^AT&T公司的ATT17系列電可擦除SROM,但是該類SROM芯片能與XILINX系列FPGA芯片實(shí)現(xiàn)接口的種類不多,且容量小。由于種種原因,其價(jià)格往往是同樣存儲(chǔ)容量的EEPROM的五、六倍,甚至更高,并且來源困難。那么能不能結(jié)合并行加載與串行加載的優(yōu)點(diǎn),從而解決大容量FPGA數(shù)據(jù)加載的問題呢?我們?cè)谧屑?xì)分析了串行加載機(jī)制后,認(rèn)為采用EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,經(jīng)過可控的并-串轉(zhuǎn)換,應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載。下面以XILINX公司Virtex系列XCV100芯片為例,采用ATMEL公司1兆位的AT29C010A進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),采用XILINX公司9500系列XC95108芯片作為加載控制器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1 原理設(shè)計(jì)
原理性Master Serial模式串行加載時(shí)序如圖1所示。在該加載模式中,比較重要的幾個(gè)信號(hào)為/INIT、CCLK、DATAIN、DONE。/INIT表示FPGA芯片上電時(shí)或者當(dāng)/PROGRAM信號(hào)為低時(shí)FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)初始化過程,并作為外送信號(hào)給數(shù)據(jù)加載控制器件作為復(fù)位之用。當(dāng)/INIT信號(hào)躍為高電平時(shí),CCLK開始啟動(dòng)。加載數(shù)據(jù)DATAIN在CCLK的上升沿打入,與通用串行通訊相類似,加載數(shù)據(jù)流也有開始位與結(jié)束位,且以數(shù)據(jù)幀的方式接收。一旦發(fā)生錯(cuò)誤,FPGA立即停止接收數(shù)據(jù),并將/INIT信號(hào)置為低電平,因此該信號(hào)又稱為錯(cuò)誤指示信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)全部接受并驗(yàn)證無誤后,FPGA將DONE信號(hào)置為“1”[3]。
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在分析了FPGA加載數(shù)據(jù)流特性后,可以得出這樣一個(gè)結(jié)論:保證CCLK與DATAIN之間的嚴(yán)格同步與連續(xù)性,就可以實(shí)現(xiàn)加載?；诖私Y(jié)論,在生成加載數(shù)據(jù)格式時(shí),產(chǎn)生單片SROM串行格式,對(duì)于XILINX公司的FPGA系列,該格式為.MCS文件格式;然后用ALL07編程器以INTEL HEX數(shù)據(jù)格式將其寫入EEPROM中。余下的工作是在CCLK、/INIT、DATAIN的控制下完成并-串轉(zhuǎn)換。該控制過程采用一片CPLD之95系列XC95108芯片來承擔(dān),在設(shè)計(jì)容量上采用一片XC9536即可完成,之所以采用XC95108是因?yàn)槠渖行枰瓿善渌蝿?wù)。其原理框圖如圖2所示。
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2 并-串轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)計(jì)
在時(shí)序設(shè)計(jì)上,關(guān)鍵在于要保持DATAIN加載數(shù)據(jù)的連續(xù)性、DATAIN與CCLK加載時(shí)鐘的同步性以及EEPROM訪問地址的復(fù)位問題。對(duì)于復(fù)位問題,采用上電時(shí)FPGA產(chǎn)生的/INIT信號(hào)對(duì)95108內(nèi)部的EEPROM地址發(fā)生器復(fù)位。這樣做的原因是/INIT與FPGA之CCLK時(shí)鐘產(chǎn)生有著同步關(guān)系,但同時(shí)也默認(rèn)上電加載是一次成功;在考慮串行DATAIN數(shù)據(jù)的連續(xù)性時(shí),采用兩組移位寄存器,設(shè)定它們?yōu)镽_shiftA和R_shiftB,當(dāng)R_shiftA在進(jìn)行移位操作時(shí),R_shiftB由EEPROM中讀入八位并行數(shù)據(jù),反之亦然;為保持DATAIN與CCLK時(shí)鐘的同步性,所有上述操作都以CCLK為同步時(shí)鐘,值得注意的是,由于DATAIN串行數(shù)據(jù)是在CCLK的上升沿打入FPGA,因此我們給予XC95108芯片設(shè)計(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐘是經(jīng)過反相的CCLK時(shí)鐘,這樣就保證了CCLK與DATAIN的時(shí)間關(guān)系。
以下是為該加載設(shè)計(jì)的VHDL硬件編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序[4][5],其中的計(jì)數(shù)器及移位寄存器模塊用F2.1I設(shè)計(jì)軟件之LogicBlox模塊產(chǎn)生。整個(gè)程序經(jīng)F2.1I開發(fā)軟件仿真、編譯成功后,經(jīng)JTAG編程電纜寫入XC95108芯片。加電后便加載成功,經(jīng)多次加電實(shí)驗(yàn),成功率為100%。
雖然該程序是針對(duì)XCV100芯片及AT29C010A EEPROM設(shè)計(jì)的,但對(duì)于其他FPGA及EEPROM芯片同樣適用,不同的是針對(duì)不同容量的EEPROM,應(yīng)改變其地址計(jì)數(shù)器的位數(shù)。
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity v10sload is
?????? port (
?????? pDATA： in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；
?????? pADDRESS：inout STD_LOGIC_VECTOR(16
????????????????????????????????????????????downto 0)；
????? ???? CCLKIN： in STD_LOGIC；
??????? ?RESET：in STD_LOGIC；
?????????? DATAIN：out STD_LOGIC
????????????? )；
end v10sload；
architecture v10sload_arch of v10sload is
signal：loadin，CE，nCE，CCLK8，nRESET，nCCLK，aDATAIN，
????????????? bDATAIN：std_logic；
signal clkenable，CCLK：std_logic；
signal ppDATA：std_logic_vector(7 downto 0)；
component clk_div8
????????????? PORT(
??? CLOCK，ASYNC_CTRL： IN std_logic；
??? CLK_OUT： OUT std_logic)；
end component；
component R_shift8
PORT(
??? D_IN： IN std_logic_vector(7 DOWNTO 0)；
??? LOAD： IN std_logic；
??? CLK_EN： IN std_logic；
??? CLOCK： IN std_logic；
??? LS_OUT： OUT std_logic)；
end component；
component BUFG
port(I：in std_logic； O：out std_logic)；
end component；
begin
??? -------------------------------????
--data-loading function statements here
nRESET<=not RESET；
init_data：process(RESET)
begin
if(RESET=＇0＇) then
????ppDATA<=″00000000″；
????else ppDATA<=pDATA；
end if；
end process init_data；
L0：BUFG???? port map(I=>CCLKIN，O=>CCLK)；
nCCLK<=not CCLK；
L1：counter17? portmap
????(CLOCK=>CCLK8，ASYNC_CTRL=>nRESET，
?????Q_OUT=>pADDRESS)；
L2：clk_div8? portmap
? (CLOCK=>nCCLK，ASYNC_CTRL=>nRESET，
????CLK_OUT=>CCLK8)；
nCE<=not pADDRESS(0)；
CE<=pADDRESS(0)；
clkenable<=＇1＇；
L3：R_shift8??? portmap
??? (D_IN=>ppDATA，LOAD=>nCE，CLK_EN=>
????????????? ??? clkenable，CLOCK=>nCCLK，
??? LS_OUT=>aDATAIN)；
L4：R_shift8??? portmap
????(D_IN=>ppDATA，LOAD=>CE，CLK_EN=>
????clkenable，CLOCK=>nCCLK，
??? LS_OUT=>bDATAIN)；
process(aDATAIN，bDATAIN，CE)
begin
if(CE=＇1＇) then DATAIN<=aDATAIN；
else DATAIN<=bDATAIN；
end if；
end process；
end v10sload_arch；
?
參考文獻(xiàn)
1 XILINX 公司DATABOOK,1999：54～56
2 XILINX公司網(wǎng)站www.xilinx.com
3 王小軍.VHDL 簡(jiǎn)明教程.北京:清華大學(xué)出版社,1997