精简的FPGA编程方法

便携式、小型的仪表和设备是一个非常重要的应用领域，在未来一段时间内会有比较大的市场。而FPGA等现场可编程器件也是正在兴起与普及的一种器件，把FPGA更好地运用到上述仪表和设备中，可以减少这些仪器、设备的开发周期，大幅度提升这些仪器的性能，减少总成本和体积等。

在许多应用场合，如大型设备中的板卡，比较适合采用标准的FPGA编程电路。但是对于便携式设备的应用场合，采用标准电路联系FPGA与CPU需要消耗的资源太多。许多DSP芯片只有2个通用I/O引脚，所以如果能只使用1"2个引脚就完成FPGA编程功能，意义将非常重大。

本文提出一种精简的FPGA的编程电路，它只占用控制器的1"2条I/O控制线，其成本和功耗很低，很适合大规模地在便携式小型仪表产品中应用。

标准的FPGA编程电路

以Xilinx的Spartan系列FPGA为例，图1是一个标准的编程电路。电路中控制器使用了4条控制信号线PROG，CLK，Data，DONE。首先Prog信号控制FPGA的初始化，一个Prog信号的低电平使FPGA进入编程状态，在编程过程及以后的运行过程中，Prog信号保持高电平；在编程过程中，Data信号与CLK信号配合，在每个Clk信号的上升沿，FPGA锁定/读取一个Data信号，如此循环，直到控制器将需要编程的程序全部送到FPGA中；当FPGA正确接收到编程程序以后，就会产生一个DONE信号，通知控制器一切完毕。



图1 通常的FPGA下载电路

该电路是Xilinx公司推荐的一个FPGA的标准电路，对于许多常规应用场合，它还是比较合适的，但是对于手持式仪表等尺寸非常小的设备，由于控制器本身只有1"2个I/O控制线，而上述标准电路占用4个I/O口，就有可能无法应用。  

精简的FPGA编程方法

本文给出了一种精简的FPGA编程电路如图2所示。控制器的I/O控制信号线包括P/C和Data。P/C控制信号产生图2中所示的波形，经过Prog解码电路(如图4所示)得到Prog信号，经过CLK解码电路(在本例中也可以不经过)，得到CLK信号，它们与Data一起组成完整的FPGA控制信号，完成对FPGA的编程控制。



图2 精简的FPGA下载电路之一

该电路只使用2根I/O控制信号线，比标准编程电路要少，利用特殊控制信号的编码与解码，得到完成FPGA的编程工作。

更进一步，也可以只使用一个I/O控制信号线，如图3所示，使用Prog解码电路(如图4所示)、CLK解码电路和Data解码电路(如图5所示)，得到FPGA编程所必须的Prog信号、CLK信号和Data信号。该方法比图2所示的电路所需要的控制线还要少。



图3 精简的FPGA下载电路之二



图4 Prog解码电路



图5 Data解码电路

本方法利用比标准FPGA编程电路更少的I/O控制线，经过解码电路的解码得到FPGA编程所需要的控制信号。对于不同公司的产品，本方法只要稍加变动就可以使用。

应用案例

以Xilinx的Spartan II系列产品为例，图4为Prog控制信号解码电路，图5为Data信号解码电路。不妨假定CLK信号的周期为Tclk，Prog解码电路中的时间常数为tProg=R1*C1，Data解码电路的时间常数为tData=R2*C2。

Prog控制信号解码电路的原理： P/C信号或P/C/D信号由Prog编码和CLK(Data)编码组成，其中Prog编码是一个周期比较长的高电平,见图4的t2-t0，它大于Prog解码电路的时间常数tProg，CLK(Data)编码是周期比较短的脉冲，小于解码电路的时间常数tProg，所以Prog信号可以被解码得到，而其他不相关信号则被过滤掉。一般可以选择Prog编码周期t2-t0＞5tProg，而CLK(Data)编码周期t3-t2＜1/5tProg。当FPGA编程结束以后，P/C信号，或者P/C/D信号应当立即复位，否则Prog会出现错误。

Data解码电路的原理可以分成Data=0和Data=1两种情况：

Data=0时，当P/C/D信号的前一个数据的上升沿t5结束，并保持一段时间，到达t6后，继续保持高电平，经过大约tData(与先前状态有关)，Data控制信号线就会出现低电平，即信号0，为了更加可靠，可以等一段时间，到达时刻t9时P/C/D信号再给出一个负脉冲用于锁定数据。当然负脉冲的宽度应当比较窄，否则Data信号会反转，通常负脉冲宽度t10-t9＜1/4tCLK。

Data=1时，当P/C/D信号的前一个数据的上升沿t5结束，并保持一段时间，到达t6后，立即进入低电平，经过大约tData(与先前状态有关)，Data控制信号线就会出现高电平，即信号1，为了更加可靠，可以等一段时间，到达时刻t10时，P/C/D信号再给出一个上升沿用于锁定数据。

这样Data信号也可以被正确地解码出来。在本例中CLK信号无须专门的解码电路，P/C/D信号可以直接作为CLK控制信号使用。

本方法经过实验验证，其中R1=10KW，C1=0.1mF, R2=1KW， C2=0.01mF，D1为1N5817，U1/U2为74HC14。当然也可以根据需要进行调整。