采用EEPROM对大容量FPGA芯片数据实现串行加载

自大规模现场可编程逻辑器件问世以来,先后出现了两类器件,一类是基于SRAM体系结构的FPGA系列,如XILINX公司的4000系列和最新的Virtex系列;另一类是基于fastFLASH技术的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、设计资源丰富、片内ROM及RAM设计灵活等特点[1],但是它们需要在每次上电时进行数据加载。目前实现加载的方法有以下三种:①采用PROM并行加载;②采用专用SROM串行加载;③采用单片机控制实现加载。第一种方式需要占用较多的FPGA管脚资源,虽然这些管脚在加载完成后可用作一般I/O口,但在加载时不允许这些管脚有其他任何外来信号源;另外数据存储器PROM与FPGA之间的大量固定连线如8位数据线以及大量访问PROM的地址线等,使得PCB设计不便。但是第一种方式有一个有利的方面,即PROM的容量较大、容易购置、价格低、技术支持(编程器)较好。第二种方式情况刚好与第一种方式相反,即占用资源少、PCB布板方便,但是容量小、价格较高、兼容性差。第三种方式采用单片机控制,由PROM中读取并行数据,然后再串行送出。由于涉及到单片机编程,对于开发者来说较为不便;另外,如果单片机仅用来实现该任务,较为浪费硬件资源。CPLD的一个最大优点是采用计算机专用开发工具,通过JTAG口直接一次性实现编程数据加载,并永久保留,除非进行再次编程(与GAL器件相似)。该类器件比较适合在实验室内进行现场调试,但是由于其数据的加载必须通过计算机,因此对于从事野外作业者来说会产生不便。
　　通过上述比较,并结合实际工作情况,我们认为采用串行数据加载比较方便、可靠(这种可靠性得益于FPGA与SROM之间较少的接口线)。但随着FPGA规模的不断升级,其CONFIG数据量越来越大,截止到本文写作时,CONFIG数据量最大已到6MBIT,虽然XILINX公司有相关的XC17X系列SROM提供使用,但皆为一次性芯片[2]、开发成本较高、代理商供货周期长、价格较高,这给FPGA的应用及普及带来很大的障碍。我们曾使用过AT&T公司的ATT17系列电可擦除SROM,但是该类SROM芯片能与XILINX系列FPGA芯片实现接口的种类不多,且容量小。由于种种原因,其价格往往是同样存储容量的EEPROM的五、六倍,甚至更高,并且来源困难。那么能不能结合并行加载与串行加载的优点,从而解决大容量FPGA数据加载的问题呢?我们在仔细分析了串行加载机制后,认为采用EEPROM作为数据存储器,经过可控的并-串转换,应该可以实现数据加载。下面以XILINX公司Virtex系列XCV100芯片为例,采用ATMEL公司1兆位的AT29C010A进行数据存储,采用XILINX公司9500系列XC95108芯片作为加载控制器件进行设计。
1 原理设计
　　原理性MasterSerial模式串行加载时序如图1所示。在该加载模式中,比较重要的几个信号为/INIT、CCLK、DATAIN、DONE。/INIT表示FPGA芯片上电时或者当/PROGRAM信号为低时FPGA内部数据初始化过程,并作为外送信号给数据加载控制器件作为复位之用。当/INIT信号跃为高电平时,CCLK开始启动。加载数据DATAIN在CCLK的上升沿打入,与通用串行通讯相类似,加载数据流也有开始位与结束位,且以数据帧的方式接收。一旦发生错误,FPGA立即停止接收数据,并将/INIT信号置为低电平,因此该信号又称为错误指示信号。当数据全部接受并验证无误后,FPGA将DONE信号置为“1”[3]。



　　在分析了FPGA加载数据流特性后,可以得出这样一个结论:保证CCLK与DATAIN之间的严格同步与连续性,就可以实现加载。基于此结论,在生成加载数据格式时,产生单片SROM串行格式,对于XILINX公司的FPGA系列,该格式为.MCS文件格式;然后用ALL07编程器以INTELHEX数据格式将其写入EEPROM中。余下的工作是在CCLK、/INIT、DATAIN的控制下完成并-串转换。该控制过程采用一片CPLD之95系列XC95108芯片来承担,在设计容量上采用一片XC9536即可完成,之所以采用XC95108是因为其尚需要完成其他任务。其原理框图如图2所示。



2 并-串转换时序设计
　　在时序设计上,关键在于要保持DATAIN加载数据的连续性、DATAIN与CCLK加载时钟的同步性以及EEPROM访问地址的复位问题。对于复位问题,采用上电时FPGA产生的/INIT信号对95108内部的EEPROM地址发生器复位。这样做的原因是/INIT与FPGA之CCLK时钟产生有着同步关系,但同时也默认上电加载是一次成功;在考虑串行DATAIN数据的连续性时,采用两组移位寄存器,设定它们为R_shiftA和R_shiftB,当R_shiftA在进行移位操作时,R_shiftB由EEPROM中读入八位并行数据,反之亦然;为保持DATAIN与CCLK时钟的同步性,所有上述操作都以CCLK为同步时钟,值得注意的是,由于DATAIN串行数据是在CCLK的上升沿打入FPGA,因此我们给予XC95108芯片设计的运转时钟是经过反相的CCLK时钟,这样就保证了CCLK与DATAIN的时间关系。
　　以下是为该加载设计的VHDL硬件编程语言设计程序[4][5],其中的计数器及移位寄存器模块用F2.1I设计软件之LogicBlox模块产生。整个程序经F2.1I开发软件仿真、编译成功后,经JTAG编程电缆写入XC95108芯片。加电后便加载成功,经多次加电实验,成功率为100%。
　　虽然该程序是针对XCV100芯片及AT29C010A EEPROM设计的,但对于其他FPGA及EEPROM芯片同样适用,不同的是针对不同容量的EEPROM,应改变其地址计数器的位数。
　　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；