0 引言

現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展日新月異，通信系統(tǒng)必須具備良好的可升級(jí)能力以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）由于同時(shí)具備硬件電路高速運(yùn)行和軟件可編程的雙重優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域中。FPGA在上電后，需要加載配置文件對(duì)內(nèi)部各功能模塊進(jìn)行初始化，而配置文件加載的效率直接影響系統(tǒng)的初始化時(shí)間。因此如何設(shè)計(jì)一種高效的FPGA加載方案，是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

文獻(xiàn)的加載方案采用外部專(zhuān)用的E2PROM器件存儲(chǔ)配置文件，并在上電后由FPGA控制整個(gè)加載過(guò)程。這種主動(dòng)加載的配置方式需要專(zhuān)門(mén)的外部存儲(chǔ)芯片，使用面窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈活的在線(xiàn)升級(jí)，并且由于EEPROM的容量有限，只能用于加載一些小的FPGA邏輯文件。文獻(xiàn)提出采用CPU外掛FLASH存儲(chǔ)配置文件，采用通用輸入／輸出（General Purpose Input／Output，CPU GPIO）管脾模擬被動(dòng)串行（Passive Serial，PS）加載時(shí)序進(jìn)行配置文件加載的方案，然而這種方案需要占用CPU寶貴的GPIO資源，雖然采用PS方式加載可以節(jié)省一定的管腳，但是由于CPU沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的PS加載控制器，必須通過(guò)軟件控制GPIO來(lái)模擬PS加載的時(shí)序，對(duì)于軟件最普遍使用的C語(yǔ)言，每一步操作都需要數(shù)條指令，耗費(fèi)時(shí)間。對(duì)于有多個(gè)FPGA，要求遠(yuǎn)程升級(jí)，且對(duì)配置速度要求高的大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的加載時(shí)間是無(wú)法忍受的。

本文介紹了一種基于CPLD加載FPGA的方案：FPGA配置文件被存放在CPU外掛的FLASH存儲(chǔ)器中，加載時(shí)由CPU將配置文件讀出，再通過(guò)連接CPLD的Local Bus總線(xiàn)將數(shù)據(jù)以并行方式送給CPLD，CPLD利用速度較高的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)串行送入FPGA。該方案既可以節(jié)省CPU和FPGA的管腳，又可以實(shí)現(xiàn)FPGA在線(xiàn)快速加載。

1 FPGA及其加載方式介紹

FPGA是一種可編程器件，用戶(hù)可通過(guò)軟件手段配置FPGA器件內(nèi)部的連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成所需的數(shù)字電路功能。目前市場(chǎng)上有三種基本的FPGA編程技術(shù)：SRAM，反熔絲和FLASH。其中基于SRAM的FPGA由于其速度快且具有可重編程能力，是目前應(yīng)用最廣泛的一種。但是這種FPGA是易失性的，每次掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)白片，內(nèi)部邏輯消失，上電時(shí)需要重新為FPGA加載配置數(shù)據(jù)。

大部分FPGA的加載方式都可以分為主動(dòng)加載和被動(dòng)加載。主動(dòng)加載和被動(dòng)加載最大的區(qū)別在于加載過(guò)程是由誰(shuí)來(lái)控制，主動(dòng)加載的加載過(guò)程是由FPGA自身控制，F(xiàn)PGA主動(dòng)從外部存儲(chǔ)器中讀取邏輯信息來(lái)為自己進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生加載時(shí)鐘。

被動(dòng)加載的整個(gè)加載過(guò)程都是由外部控制器控制，F(xiàn)PGA接收配置時(shí)鐘，配置命令和配置數(shù)據(jù)，給出配置狀態(tài)信號(hào)以及配置完成指示信號(hào)等。

為了選擇一種合適的加載方式，這里將Altera公司FPGA產(chǎn)品的各種加載方式的對(duì)比于如圖1所示。需要注意的是，配置速度的快慢只是相對(duì)的，其他一些因素如閃存的讀取時(shí)間，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率等也會(huì)影響配置的時(shí)間。

從圖中可以看到，并行加載方式雖然速度較快但是耗費(fèi)較多的管腳；而串行加載則可以節(jié)省管腳、降低成本。在幾種串行加載方式中，PS加載方式是大部分器件都支持的方式，因此本文后續(xù)的設(shè)計(jì)方案選擇PS加載方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2 加載方案的設(shè)計(jì)

整個(gè)加載方案主要由硬件電路，CPLD邏輯，軟件代碼幾部分組成。

2．1 硬件設(shè)計(jì)

在第1節(jié)的討論中選擇了PS加載方式。PS加載一般要用到5根信號(hào)線(xiàn)，分別是nconfig，dclk，data，nstatus和conf_done，它們的含義如圖2所示。

在傳統(tǒng)的PS加載方式中，CPU與FPGA的連線(xiàn)如圖3所示。

這種加載方式的原理是：先將FPGA的配置數(shù)據(jù)放在CPU外掛非易失性存儲(chǔ)器中，CPU啟動(dòng)后，CPU通過(guò)GPIO模擬時(shí)序的方式將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA中。CPU以這種方式產(chǎn)生的加載時(shí)鐘只有kHz，加載一個(gè)10 MB大小的配置文件大概需要100 s。通過(guò)優(yōu)化代碼可以減小加載時(shí)間，但是軟件不能模擬高頻時(shí)鐘是其固有的缺陷。CPLD可以利用外部高速時(shí)鐘作為加載參考時(shí)鐘，且由于它控制簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便的特性，可以作為加載的橋梁，在CPU和FPGA之間建立快速加載的通道。

利用CPLD進(jìn)行PS加載的電路連接設(shè)計(jì)如見(jiàn)圖4。

CPU要從外掛存儲(chǔ)器中讀取配置文件，然后發(fā)起加載任務(wù)，通知CPLD開(kāi)始加載并通過(guò)Local Bus向CPLD發(fā)送加載數(shù)據(jù)。常用的CPU Local Bus參考時(shí)鐘約為66 MHz，加載1 B的數(shù)據(jù)需要約15璐。CPLD對(duì)外部參考時(shí)鐘（可選擇，本文選用66 MHz晶振）進(jìn)行4分頻后作為加載時(shí)鐘，此時(shí)鐘約為16．5 MHz，其加載效率比CPU GPIO加載方式提高10倍以上。

2．2 CPLD加裁模塊的設(shè)計(jì)

CPLD加載模塊主要是利用CPLD邏輯代碼實(shí)現(xiàn)PS加載時(shí)序，達(dá)到快速加載的目的。FPGA的PS加載時(shí)序如圖5所示。

PS加載的過(guò)程如圖6所示。

根據(jù)PS加載的時(shí)序和流程圖，設(shè)計(jì)通過(guò)CPU和CPLD對(duì)FPGA進(jìn)行加載的過(guò)程如下：CPLD在收到CPU發(fā)出的加載開(kāi)始命令后，將nconfig信號(hào)拉低（器件時(shí)序?qū)config的低電平脈寬有要求），當(dāng)FPGA收到nconfig的低脈沖有效信號(hào)后，會(huì)馬上清除現(xiàn)有的程序進(jìn)入加載狀態(tài)，拉低nstatus和conf_done信號(hào)，在nconfig信號(hào)變高500 μs（器件要求）后CPLD可以開(kāi)始向FPGA送時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，加載完成后，F(xiàn)PGA將conf_done信號(hào)拉高，遞知CPLD，CPLD再通知CPU加載已完成，PPGA進(jìn)入初始化階段。

要實(shí)現(xiàn)成功的加載，必須保證加載過(guò)程正確，加載時(shí)序滿(mǎn)足器件要求。還要注意與CPU軟件程序的配合。

（1）nconfig信號(hào)時(shí)序的控制。nconfig信號(hào)時(shí)序控制由CPU軟件實(shí)現(xiàn)，在硬件連接上，將nconfig信號(hào)使用外部電阻上拉，軟件對(duì)CPLD寄存器中的configbit先寫(xiě)0，再寫(xiě)1，中間延遲10μs，保證nconfig信號(hào)的脈寬達(dá)到芯片要求。

實(shí)際測(cè)試波形如圖7所示，橫軸表示時(shí)間，靠上的信號(hào)線(xiàn)為nconfig信號(hào)，靠下的為nstatus信號(hào)，nconfig脈寬約為11μs，滿(mǎn)足要求。

（2）dclk時(shí)序的控制。dclk由CPLD的參考時(shí)鐘elk_ref四分頻產(chǎn)生。器件要求dclk在nconfig信號(hào)變高后至少500 μs后才輸出，這個(gè)時(shí)序是由CPU軟件來(lái)控制，軟件先將nconfig信號(hào)拉低10 μs，等待FPGA回應(yīng)的nstatus，當(dāng)nstatus高電平到來(lái)后，延遲600μs開(kāi)始通過(guò)Local Bus向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)置位時(shí)鐘使能標(biāo)志位，CPLD以此時(shí)鐘標(biāo)志位來(lái)觸發(fā)dclk，以此保證dclk的時(shí)序。實(shí)際測(cè)試波形如圖8所示。橫軸表示時(shí)間，靠上的信號(hào)線(xiàn)為nconfig，靠下的為dclk，從nconfig變高到dclk輸出的延遲約為605μs，滿(mǎn)足要求。

（3）CPLD與CPU標(biāo)志位的控制實(shí)現(xiàn)。必須控制CPLD加載口在CPU送數(shù)據(jù)完成之后再工作，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)阻塞。為了實(shí)現(xiàn)這一控制，CPU會(huì)送出一個(gè)標(biāo)志位，即CPU在第一個(gè)Local Bus的訪(fǎng)問(wèn)周期發(fā)送8 b加載數(shù)據(jù)，在下一個(gè)周期CPU會(huì)對(duì)標(biāo)志寄存器進(jìn)行取反操作，CPLD會(huì)去檢測(cè)標(biāo)志位的沿（上升沿下降沿都可），當(dāng)CPLD檢測(cè)到這個(gè)沿，說(shuō)明CPU的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成，CPLD會(huì)產(chǎn)生加載時(shí)鐘，并利用此時(shí)鐘將加載數(shù)據(jù)送入FPGA。CPLD只對(duì)邊沿進(jìn)行檢測(cè)可以減少Local Bus的訪(fǎng)問(wèn)周期，如果用0，1電平或者只用上升沿（只用下降沿），CPU傳送完數(shù)據(jù)后，需要先讀標(biāo)志寄存器的值，再對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行操作，而用上升沿和下降沿，CPU只需要在第一次傳送數(shù)據(jù)完成后讀標(biāo)志寄存器，隨后的數(shù)據(jù)傳送完成后只需要對(duì)其進(jìn)行取反即可。實(shí)現(xiàn)程序如圖9所示。

（4）加載模塊。當(dāng)檢測(cè)到CPU的標(biāo)志時(shí)CPLD開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)FPGA進(jìn)行加載，加載完成后對(duì)自身的發(fā)送完成標(biāo)志取反，關(guān)閉輸出使能。要注意不同芯片廠(chǎng)家的加載高低位順序不同。FPGA是靠dclk的上升沿來(lái)采樣數(shù)據(jù)的，所以在dclk的下降沿將數(shù)據(jù)從CPLD送出，這樣在FPGA端采樣時(shí)dclk的上升沿正好對(duì)著數(shù)據(jù)的中間，能獲得最大的時(shí)序窗口，如圖10所示。

實(shí)現(xiàn)程序如圖11所示。

（5）加載結(jié)束后，F(xiàn)PGA將conf_done信號(hào)拉高，CPLD通知FPGA加載已經(jīng)完成。

3 功能、性能測(cè)試

為了驗(yàn)證方案的有效性，選用Altera的FPGA（EP4SGX530），CPLD（EPM570F256CS），MPC8548搭建了一個(gè)加載系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，橫軸表示時(shí)間，有固定周期的信號(hào)為dclk。由圖可知加載成功，加載時(shí)鐘頻率約為17 MHz。總體加載時(shí)間可由conf_done信號(hào)指示，如圖所示橫軸表示時(shí)間，從圖上可以看出，加載一個(gè)10 MB大小的FPGA配置文件大約需要10 s。

4 結(jié)論

CPU直接對(duì)FPGA進(jìn)行加載的傳統(tǒng)方式，加載一個(gè)10 MB的FPGA配置文件大概需要100 s，利用CPLD對(duì)FPGA進(jìn)行加載，只需要約10 s（Local Bus的訪(fǎng)問(wèn)周期約為200 ns，相對(duì)于CPLD對(duì)FPGA的加載時(shí)間可以忽略不計(jì)，兩者可以并行進(jìn)行），加載速度提高了10倍左右。在有兩個(gè)甚至多個(gè)FPGA需要加載的系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。該方法對(duì)只要有CPU，CPLD和FPGA的系統(tǒng)即可移植，并且可以支持Altera，XILINX和LATTICE三大廠(chǎng)家的邏輯器件。