基于单片机P89C61X2的FPGA配置

大部分FPGA采用基于SRAM(静态随机存储器)的查找表逻辑形成结构，就是用SRAM构成逻辑函数发生器。SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，需要外加一片专用配置芯片。在上电时，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作。这就是在线可重配置ICR(In-Circuit Reconfigurability)方式。  

Altera公司生产的具有ICR功能的APEX、FLEX10K、ACEX、FLEX6000等系列器件可以使用6种模式进行配置，即使用专用EPC配置器件、被动串行(PS)方式、被动并行同步(PPS)方式、被动并行异步(PPA)方式、被动串行异步(PSA)方式及边界扫描(JTAG)方式。这些模式由FPGA上的两个模式选择引脚MSEL1和MSEL0上的电平来决定。  

EPC配置器件有一次性可编程和可擦写编程型两种。一次性可编程型芯片不适于调试、修改及产品升级，利用率不高；可擦除编程型芯片价格昂贵，容量有限。使用PS、PPS、PPA方式配置时，配置文件要以二进制形式保存在系统ROM中，然后通过微处理器将配置数据送进FPGA中。PS和PPS所用的配置时间几乎相同，而PS的接口方式比较简单。PPA方式与PPS不一样的地方是在进行串行化处理时不需要配置外部时钟的驱动，但接口更复杂。边界扫描方式在现场采用较少，通常用在计算机通过JTAG口实现一次性编程数据加载的调试中。 以上6种模式中被动串行(PS)方式下FPGA与配置电路的互连最简单，对配置时钟的最低频率也没有限制，因此常采用PS模式。本文采用单片机P89C61X2以PS模式对Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K20进行配置，软件采用MAX+PLUS II。  

1 P89C61X2的功能特点  

P89C61X2器件采用高性能的静态80C51设计，使用先进的CMOS工艺制造，并包含非易失性Flash的程序存储器，可通过并行编程或在系统编程(ISP)的方法进行编程。支持6时钟和12时钟模式，相应地有2种速度范围：6时钟模式时，0～20 MHz；12时钟模式时，0～33 MHz。  
P89C61X2包含64 KB的Flast程序存储器、1 024字节RAM、32个I／O口、3个16位定时／计数器、6中断源-4中断优先级-嵌套的中断结构、1个增强型UART、片内振荡器和时钟电路等。此外，器件的静态设计使其具有非常宽的频率范围，甚至可以降低至零。P89C61X2具有两种软件可选的节电模式--空闲模式和掉电模式。空闲模式时冻结CPU的运行，但允许RAM、定时器串口和中断系统继续保持其功能；掉电模式时保持RAM的内容，但冻结振荡器，使其他片内功能都停止工作。由于是静态设计，时钟停止也不会使用户数据丢失。操作可从时钟停止点恢复运行。  

P89C61X2的Flash存储器增加了EPROM所没有的电可擦除和编程特性，可以进行芯片擦除和块擦除。芯片擦除操作是将整个程序存储区都擦除；而块擦除可实现对任意Flash块进行擦除。对P89C61X2进行在系统编程和标准的并行编程都是可行的。片内产生的擦除和写入时序为用户提供了良好的编程接口。P89C61X2的Flash存储器甚至在经过10 000次擦除和编程之后仍能可靠地保存存储器内容。使用+5 V的Vpp即可实现对其进行擦除和编程。  

2 配置原理和配置文件  

用单片机通过PS模式配置FPGA，可以使用单片机的普通输入／输出(I／O)口(如图1(a)所示)或串行口(如图1(b)所示)来实现。配置中使用了FPGA的nCONFIG(配置控制位输入端)、nSTATUS(配置错误指示位输出端)、CONF_DONE(配置结束标志位输出端)、DCLK(配置时钟输入端)、DATA0(配置数据输入端)引脚等。nCEO引脚用于多个FPGA器件采用PS模式配置时，把第一片的nCEO连接到下一片的nCE引脚上。配置时若使用普通I／O口(如P1口)，向FPGA发送1位数据至少需要4个指令周期：一个指令给DATA0赋值，两个指令产生DCLK时钟，一个指令移位取数据。如果晶振频率为fosc，一个指令周期为12／fosc，那么它的下载速率为fosc／48。如果采用串行口方式0，其下载速率提高为fosc／12。P89C61X2支持6时钟模式，速度可以提高一倍。  



在配置过程中，nCONFIG低电位使EPF10K20复位，在由低到高的跳变过程中启动配置；加电后，EPF10K20驱动nSTATUS引脚到低电位，然后释放它(nSTATUS必须经过1 kΩ电阻上拉到VCC，若配置期间出错，EPF10K20将其拉低)，每个数据由最低位(LSB)先送出给DATA0，数据时钟DCLK同时送到器件，直到CONF_DONE变高。在所有数据传输完后，对于FLEX10K和FLEX6000器件，DCLK必须多送10个DCLK脉冲；APEX20K器件必须多送40个DCLK脉冲。EPF10K20的CONF_DONE变高显示配置成功，开始初始化，最后进入用户模式，开始正常工作。由于PS模式中没有握手信号，因此配置时钟的工作频率必须低于10 MHz，如果想在配置中中止，可以挂断DCLK。硬件描述语言生成的程序经MAX+PLUS II编译后会产生一个后缀为.sof的SRAM目标文件。该文件除配置数据外还含有控制字符，不能直接写人到PLD中去，需要利用MAX+PLUS II的编程文件转换功能。例如有些编程器支持.rbf文件。.rbf文件为原始二进制文件，该文件包括所有的配置数据，配置文件的大小一般由它决定。1字节的.rbf文件有8位配置数据，每一字节在配置时最低位最先被装载。不同系列的目标器件配置数据的大小也不同，如.rbf文件在FLEK系列中，EPF10K10为15 KB，EPF10K20为29 KB，EPF10K30为46 KB，EPF10K40为61 KB，EPF10K70为109 KB等。由于P89C61X2包含64 KB Flash程序存储器，可以对除EPF10K70外的其他器件实现配置，而大干61 KB的FPGA器件可采用扩展存储器的方法来实现。   



MAX+PLUS II不自动生成.rbf文件，须按照下面的步骤生成：①在MAX十PLUS II编译状态下，选择文件菜单的变换SRAM目标文件命令；②在变换SRAM目标文件对话框中指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf，然后确定。

针对单片机P89C61X2，可以通过在系统编程(ISP)的方法实现。这里采用广州致远电子有限公司开发的在线编程下载软件ZLGICD。该软件支持.hex文件。.hex文件为十六进制文件，MAX+PLUS II编译时会自动生成该文件，如果没有也可采用类似产生．rbf文件的方法生成。  
用P89C61X2来配置FPGA，需将引导配置代码(.hex文件)和FPGA的配置数据(.hex文件)一起通过编程器写入P89C61X2。配置数据需要改变现有地址来让引导程序调用，否则会造成冲突。可以自己编写一个小程序来实现此功能。注意.hex文件的格式。由于引导配置代码不长，通常小于1 KB，因此有足够的空间来存放配置数据。  

3 软件设计  

软件编程时，本系统只用到了串行口移位寄存器的输出方式，串行数据通过RXD引脚输出，移位时钟由TXD引脚输出。当有一个字节数据写入串行数据缓冲器SBUF时，开始发送。而串行口输出方式本身就满足配置时最低位(LSB)先送出的要求。下面给出用C语言编写的子程序：  
  
uchar fpga_config(uint Address){
  uchar reconfig=0;
  uchar j;
  init;
  nconfig=0;
  delay-ms(1);
  nconfig= 1;
  reconfig++;
  while(1){
    SBUF = CBYTE[Address++];
  while(TI==0);
    TI=0;
  if(!nstatus){
    delay_ms(10);
    goto init;
    if (reconfig >0x05) return 0;
    if (confdone){
      for(j=0;j<5;j++){
        SBUF = CBYTE[Address++];
        while(TI==0);
        TI=0;
      }
     return 1;
    }
  }
}

结 语

用P89C61X2单片机来配置FPGA，从价格上来看，要优于EPC配置器件；从时间上来看，采用串行口方式0配置EPF10K20不到1秒钟，而用单片机的普通输入／输出口方式要慢许多；从使用上来看，不扩展存储器使电路连线更加简单。另外，单片机与FPGA优势相结合也给产品开发提供了更多更优的选择方案。