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配置电路设计
接线图
2023年10月20日 20:35 165
admin
我们所说的FPGA配置电路，一方面要完成从PC上把bit文件下载到FPGA或存储器的任务，另一方面则要完成FPGA上电启动时加载配置数据的任务。在开始设计FPGA的配置电路之前，我们不妨花一些篇幅简单的了解一下FPGA的配置过程和配置方式。
大都数FPGA器件都是基于RAM结构的，当然了，也有基于Flash结构的，但RAM结构的是主流，也是我们讨论的重点。而RAM是易失存储器，在掉电后保存在上面的数据就丢失了，重新上电后需要再次加载配置数据。因此，我们肯定不希望每次重新上电后都用PC去加载一次，工程应用也不允许我们这么做。所以，FPGA旁边都有一颗配置芯片，它通常是一颗Flash存储器。不管是串行还是并行的Flash，它们的启动加载原理基本相同。
为避免混淆，这里对FPGA的下载配置和启动配置做一点区分。FPGA器件的下载配置，是指将PC上的FPGA配置数据流通过下载线缆烧录到FPGA或者Flash存储器中。而FPGA器件的启动配置，则是指将配置数据流从PC或者Flash存储器中加载到FPGA内，使其运行起来。
FPGA器件的下载配置，最常见的是基于JTAG的配置方式，这种方式既可以直接将PC上的配置数据流加载到FPGA上在线运行，也可以通过FPGA器件本身间接的将数据烧录到Flash等外部配置芯片中。另一种下载配置是将配置数据流直接下载到配置芯片中。由于JTAG方式灵活多用，尤其是在线调试非常快速便利，因此我们的FPGA核心板电路中就只预留了JTAG接口。
FPGA器件的启动配置主要有JTAG方式，AS和PS配置方式。
AS配置方式由FPGA器件引导配置过程，它控制着外部存储器及其初始化过程。FPGA器件处于主动地位，配置器件处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入 FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。
PS配置方式则由PC或其它控制器控制配置过程。在PS配置期间，配置数据从外部储存器件通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。
JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试等功能，使用IEEE Std 1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAM STAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。
FPGA在正常工作时，它的配置数据存储在RAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用PS配置方式。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中FPGA配置信息是用普通编程器将设计所得的pof格式的文件烧录进去。
JTAG模式在线下载FPGA的原理如图2.21所示，PC端的Quartus II软件通过下载线缆将配置数据流（sof文件）下载到FPGA内部，下载完成后FPGA中立刻执行下载代码，速度很快，非常适合调试。
大都数FPGA器件都是基于RAM结构的，当然了，也有基于Flash结构的，但RAM结构的是主流，也是我们讨论的重点。而RAM是易失存储器，在掉电后保存在上面的数据就丢失了，重新上电后需要再次加载配置数据。因此，我们肯定不希望每次重新上电后都用PC去加载一次，工程应用也不允许我们这么做。所以，FPGA旁边都有一颗配置芯片，它通常是一颗Flash存储器。不管是串行还是并行的Flash，它们的启动加载原理基本相同。
为避免混淆，这里对FPGA的下载配置和启动配置做一点区分。FPGA器件的下载配置，是指将PC上的FPGA配置数据流通过下载线缆烧录到FPGA或者Flash存储器中。而FPGA器件的启动配置，则是指将配置数据流从PC或者Flash存储器中加载到FPGA内，使其运行起来。
FPGA器件的下载配置，最常见的是基于JTAG的配置方式，这种方式既可以直接将PC上的配置数据流加载到FPGA上在线运行，也可以通过FPGA器件本身间接的将数据烧录到Flash等外部配置芯片中。另一种下载配置是将配置数据流直接下载到配置芯片中。由于JTAG方式灵活多用，尤其是在线调试非常快速便利，因此我们的FPGA核心板电路中就只预留了JTAG接口。
FPGA器件的启动配置主要有JTAG方式，AS和PS配置方式。
AS配置方式由FPGA器件引导配置过程，它控制着外部存储器及其初始化过程。FPGA器件处于主动地位，配置器件处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入 FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。
PS配置方式则由PC或其它控制器控制配置过程。在PS配置期间，配置数据从外部储存器件通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。
JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试等功能，使用IEEE Std 1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAM STAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。
FPGA在正常工作时，它的配置数据存储在RAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用PS配置方式。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中FPGA配置信息是用普通编程器将设计所得的pof格式的文件烧录进去。
JTAG模式在线下载FPGA的原理如图2.21所示，PC端的Quartus II软件通过下载线缆将配置数据流（sof文件）下载到FPGA内部，下载完成后FPGA中立刻执行下载代码，速度很快，非常适合调试。
图2.21 JTAG方式下载配置过程
FPGA下载数据到配置芯片的原理如图2.22所示，PC端的Quartus II软件通过下载线缆将配置数据流（jic文件）下载到配置芯片中。由于配置芯片和JTAG接口都是分别连接到FPGA的，他们不是直接连接，所以配置文件从PC先是传送到FPGA，然后FPGA内部再转送给配置芯片，这个过程FPGA相当于起到一个桥接的作用。
图2.22 JTAG方式下载数据到配置芯片
看完JTAG模式下在线配置FPGA和烧录配置芯片的原理，我们再了解一下FPGA上电初始的配置过程。FPGA上电后，内部的控制器首先工作，确认当前的配置模式，如果是外部配置芯片启动，则通过和外部配置芯片的接口（如我们的SPI接口）将配置芯片的数据加载到FPGA的RAM中，配置完成后开始正式运行。当然了，有人可能在想，JTAG在线配置是否和配置芯片加载相冲突呢？非也，JTAG在线配置的优先级是最高的，无论此时FPGA中在运行什么逻辑，只要JTAG下载启动，则FPGA便停下当前的工作，开始运行JTAG下载的新的配置数据。
先看器件手册中给出的一些相关参考设计，如图2.23所示，这是FPGA和用于配置的SPI Flash的接口连接方式，即我们所说的AS配置方式。注意FPGA的几个主要引脚nSTATUS\CONF_DONE\nCONFIG\nCE的连接，或者上拉，或者接地，主要是为了保证这些信号在上电初始处于一个确定的电平状态，防止错误电平导致误触发。DATA\DCLK\NCSO\ASDO这4个引脚便是SPI接口，连接到SPI Flash。
图2.23 AS配置参考电路的截图
如图2.24所示，FPGA有组MSEL引脚是用于设置FPGA初上电时的启动模式，我们的FPGA上电使用Standard AS模式从SPI Flash里面加载配置数据。
图2.24 MSEL引脚配置说明的截图
有了前面的理论做铺垫，我们的设计也就有依有据了。如图2.25所示，这是我们的SPI FLASH芯片，它的4个信号分别连接到FPGA器件的相应引脚上。
图2.25 FPGA的AS配置电路
前面是上电启动配置数据的电路，通过一个SPI Flash来实现。而PC端到FPGA器件的下载则是通过JTAG来实现的，JTAG这个概念网络上满天飞了，大家自己去消化，但凡有CPU的地方，基本都有JTAG的存在，FPGA也不例外。另外，大家注意前面的MSEL设置了FPGA启动模式是Standard AS模式，但是JTAG永远是最高优先级的模式，任何时刻，只要JTAG需要进行下载配置，那么配置模式将会转换。JTAG下载插座以及部分配置专用引脚的连接电路如图2.26所示。
图2.26 JTAG插座与FPGA配置电路
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