基于U盘和单片机的FPGA配置

引 言

FPGA|0">FPGA广泛应用在电子通信领域，其安全性引起了注意，本文针对安全配置提出了解决方案。

　　现场可编程门阵列FPGA(Field Programmablc Gate Array)是基于门阵列方式为用户提供可编程资源的，其内部逻辑结构的形成是由配置数据决定的。采用在线可重配置方式ICR(In-Circuit Reconfigurability)将这些配置数据配置到FPGA内部SRAM中，但由于SRAM的易失性，每次上电时，都必须对FPGA重新进行配置，从而实现用户编程所要实现的功能。

　　以前的设计大多是将配置数据存放在FPGA组成的系统上，本文提出将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如可加密的U盘)中。使用前将U盘接入FPGA组成的系统，系统上电时由单片机控制读出配置数据，再传送给FPGA进行配置。这样做优点很多：修改、升级简便，现场保密性强，安全性高；可多人分时使用同一硬件系统，同一硬件系统插入不同的配置U盘就可以实现不同的功能，可以方便地存储大容量配置数据或多个配置数据文件等；同时，符合计算机和嵌入式系统的热点USB OTG(On The Go，移动USB)技术趋势，是具有创新的设计。

1 FPGA的配置方式和配置数据文件

1.1 FPGA的配置方式

　　以Altera公司的FPGA器件为例，有2类配置下载方式：主动配置和被动配置。主动配置方式是由FPGA器件主动引导配置操作，从外围专用配置芯片(如EPC4)中获得配置数据的过程；被动配置方式则是由外部计算机或控制器控制配置过程。

　　以Mercury、APEX 20K(2．5V)、ACEX 1K和FLEX10K系列FPGA为例，配置方式有：被动串行PS(PasiveSerial)、被动并行同步PPS(Passive Parallel Synchronous)、被动并行异步PPA(Passive Parallel Asyn-chronous)和JTAG(Jont Test Action Group)等。具体配置方式由方式选择引脚MSEL1和MSELO的逻辑电平组合决定。

　　基于SRAM LUT(查找表)结构的FPGA采用在线可重配置方式ICR。以配置方式PS为例，可通过下载电缆南计算机直接对FPGA器件进行配置。这种方法在设计调试时非常方便，但在现场应用巾是很不现实的。上电后自动加载对FPGA器件进行配置是实际必须的，有许多方法，例如专用配置芯片(如EPC4)配置、单片机控制配置、MAX3000A控制F1ash存储器配置、PCI总线配置、Internet配置、PSD(Programmable System Devices可编程器件)配置等。

1.2 FPGA的配置数据文件

　　Altera公司的Quartus II开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方式。对于不同的目标器件，编译后开发工具会根据指定的FPGA器件自动生成"．sof(SRAM Object File)"和"．pof(Programmer ObjectFile)"配置文件。".sof"配置文件是由下载电缆将其下载到FPGA中的；"．pof"配置文件是存放在配置器件里的。用单片机配置时，要将"．sof"文件转换成"．rbf(Raw BinaryFile)"文件，可打开QuartusII的File菜单，单击ConvertProgramming Fiks进行转换。配置文件的大小随FPGA器件的不同而不同，例如EPFlOKlO的配置文件"．sof"和"．rbf"的大小为15KB。

2 单片机配置FPGA设计

2．1 单片机配置FPGA的优点

　　在实际应用中，单片机控制配置FPGA，对于保密和升级，以及实现多任务电路结构重配置和降低配置成本，都是很好的选择。配置方式PS、PPS和PPA均可以用单片机控制配置。

　　由单片机和外部存储器组成配置FPGA电路，将配置数据写入外部存储器，系统上电时再由单片机控制对FPGA进行配置。也可将多个配置文件分区存储到外部存储器中，然后由单片机接收不同的命令，选择读取不同存储区的数据配置到FPGA器件，从而实现多任务电路结构重配置，在线配置成多种不同的电路功能；代替了价格昂贵的不可擦写和可擦写配置芯片，降低了成本。

2.2 配置数据存储在U盘

　　在银行等保密行业，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有权限的使用者才能使用，或由不同的用户分时使用同一台FPGA组成的系统。最好是不要将配置数据存放在FPGA组成的系统上，而是将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如U盘)中(对U盘的读／写还可以加密)；使用前将存放配置数据的外部存储器接入FPGA组成的系统，系统上电时冉由单片机控制对FPGA进行配置就可以了。

　　1994年11月，以Intel为首的7家公司推出了通用串行总线USB(Universal serial Bus)协议规范的第一个草案。USB协议从1．1过渡到2．0，作为其最重要指标的设备传输速度也从USBl．1标准的低速1．5 Mbps和全速12Mbps提高到USB2．0标准的高速480Mbps。目前，USB设备已经非常普遍，USB接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便和价格低廉等优点得到了广泛应用。USB OTG已经成为嵌入式系统领域中的热点，使得USB能应用在没有PC的领域中，实现移动数据交换和存储。本文提出将配置数据存储在U盘中，通过单片机控制读／写，符合USB OTG发展趋势，将在嵌入式和FPGA领域得到广泛应用。