基于现场可编程芯片的动态下载应用研究

摘要：通过对现有可编程芯片下载方案的研究，针对某些用户对“现场可编程”的要求，本文提出了一种基于FPGA的数据高速动态下载方案,并简要介绍了该方案的硬件设计与实现思想。

1 引言

随着可编程逻辑器件的快速发展，器件的成本不断降低，已有越来越多的应用领域用到 可编程逻辑器件。它本身具有的可编程能力，可以方便设计者轻松升级系统，并且使设计的 算法以硬件的方式执行，大大提高了系统的处理速度。FPGA 以其具有极大的灵活性和现场 可编程特性得到广泛的应用。按工艺划分，FPGA 可分为反熔丝型、FLASH 型和SRAM 型。 反熔丝型虽然具有极强的保密性、但由于仅能编程一次，在使用上受到极大限制；FLASH 型FPGA 克服了反熔丝型FPGA 的缺点，但受结构和工艺限制，在容量上有时很难满足实 际需求；目前SRAM 型FPGA 以其具有容量大、可反复编程特性得到广泛应用，目前市场 上大容量FPGA（10 万门以上）无一例外都是基于SRAM 结构。然而SRAM 型FPGA 最大 的缺点是需要外挂一片FLASH 配置芯片，该芯片对用户完全透明，可以通过下载电缆或专 用编程器进行编程。由于该芯片可以方便的进行复制和修改，因此配置文件极易被非法窃取， 设计师的知识产权无法得到充分保障。

本文分析研究了 ALTERA 公司的FPGA 下载方式、下载文件数据结构及被动串行下载 时序，提出了一种基于PCI 接口总线的现场配置电路设计方案。该电路模块与PCI9656 芯 片控制模块融合在一起，配合上层应用软件，借助于主机PCI 总线和PCI 设备驱动程序， 利用QUARTUS II 软件产生的二进制流文件直接对FPGA 芯片进行现场下载，下载采用 ALTERA 公司FPGA 的被动串行方式，具有很好的通用性。

2 适配卡电路结构

本设计方案的设计是基于PCI 总线适配卡，适配卡为一高速数据采集卡，主要包括PCI 总线接口芯片、局部总线控制模块、内部运算与通信控制模块。电路的整体结构框图如图1 所示。

通过分析 PCI 总线的传输与外围设备如FIFO、SRAM、Flash 的时序知道，SRAM 属于 同步设备，所有的读写操作均发生在时钟上升沿，SRAM 写时序与PCI 总线的时序一致， 可直接采用该时序进行控制，FIFO 也属于同步设备，FIFO 读写时序及Flash 属于异步设备 通过设计相应的简单时序控制逻辑就能满足与PCI 总线通信时序的要求。

3 下载电路硬件设计方案

3.1 PS 配置时序

FPGA 具有被动串行（PS）、主动串行（AS）和JTAG 三种下载方式，其中PS 模式为 ALTERA 公司FPGA 的通用下载方式，操作透明、配置简单。在该模式下，外部电路采用5 条信号线对FPGA 进行配置，分别为配置时钟DCLK，配置数据DATA0，配置启动nCONFIG， 配置状态nSTATUS，配置完成CONF_DONE 信号。配置时序如图2 所示。

3.2 下载模块电路设计

在 EPM7256A 内部设计下载电路，电路由D 锁存器、长度计数器、数据移位寄存器、 状态机、状态寄存器及局部总线控制模块构成。D 锁存器锁存主机送入的命令，输入连接局 部总线数据为LD[1:0]，LD[1:0]=01 为启动配置、10 为等待数据命令、11 为结束配置命令， 该命令输出到配置控制状态机，作为控制输入。数据长度计数--器内部存放本次配置的数据 长度，位宽5bit，连接局部总线LD[7:3]，计数器最大计数范围为24，每写入1bit，长度值 减1，当减至0 时，产生借位信号，作为本次配置完成信号，送入状态机。数据移位寄存器共计24bit 宽，内部装载本次配置的数据，在状态机的控制下，顺序移出，写入FPGA。局 部总线控制模块产生局部总线的写使能、读有效信号，当PCI9054 寻址到20004000H 时， 产生写使能信号，PCI9054 寻址到20000000H 时，产生状态寄存器读输出有效信号。状态寄 存器输出连接局部总线，输入连接FPGA 配置状态信号nSTATUS、CONF_DONE 和本次配 置完成信号。电路框图如图3 所示：

3.3 下载电路状态机设计

状态机是该下载模块的重要组成部分，负责协调各个模块的工作。其输入时钟信号 LCLK，复位信号LRESET#，下载电路写使能，DLC_WEN，本次配置完成指示：CONFIG_DATA_BO；输 出 为 配 置时钟DCLK ， 配置启动nCONFIG ， 配置数据： DATA0 ， 移位使能 CONFIG_DATA_SHEN，计数使能CONFIG_LEN_EN。状态机包括“等待命令状态”SF0、 “启动配置状态”SF1、“等待数据状态”SF2、“配置数据状态1”SF31、“配置数据状态2” SF32，其状态转换过程如下：

状态SF0：“等待命令状态”，等待软件配置启动命令。

此时：CONFIG_EN = 1、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若DLC_WEN_SH=1 且命令为0x01H，则进入状态S1；

否则维持 S0 状态不变。

状态 SF1：“启动配置状态”。

此时：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 0；

若 DLC_WEN_SH=1 且命令为0x02H，则进入“等待数据状态”；否则维持 S1 状态不变。

状态 SF2：“等待数据状态”。

此时： CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若 DLC_WEN_SH=1 且命令为0x03H，则进入“配置数据状态1”S31，若 DLC_WEN_SH=1 且命令为0x00H，则返回“等待命令状态”S0，否则维持 S2 状态不变。

状态 SF31：“配置数据状态1”。发DCLK 为高电平及第N-bit 有效数据此时：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 1 、CONFIG_LEN_EN =1 、

DCLKQ = 1、nCONFIGQ = 1；进入状态 S32。

状态 SF32：“配置数据状态2”。发DCLK 为低电平及第(N+1)-bit 有效的数据此时：CONFIG_EN = 0、CONFIG_DATA_SHEN = 0 、CONFIG_LEN_EN = 0 、

DCLKQ = 0、nCONFIGQ = 1；

若 CONFIG_DATA_BO = 1 则进入状态 S31；

否则返回“等待数据状态”S2。

4 下载电路软件设计方案

下载电路软件设计主要功能是读取待下载文件，初始化硬件设备，按照下载电路的时 序要求将数据和控制命令写入相应的PCI 存储空间。初始化、配置设置、下载的实质都是 通过数据总线将固定格式的命令和数据写入到命令寄存器，并在这个过程中不断读取状态寄 存器的值以监测是否有错误发生。

首先开机，启动操作系统，EPM7256A 内部电路已下载。其次进行初始化操作。通过 数据总线向地址S0+E000H（配置端口）写入初始化命令0x01H，延迟一段时间，读取地址 S0+0000H（状态寄存器）内的数据，直至检测到配置标志位CONF_DONE、nSTATUS 均为 0，初始化工作完成。再次进行配置启动。向地址S0+E000H（配置端口）写入配置命令0x02H， 延迟一段时间，读取地址S0+0000H 状态寄存器内的数据，直至检测到配置标志位 CONF_DONE 为0、nSTATUS 为1，配置FPGA2 工作完成。接着进行配置数据，向地址 S0+E000H（配置端口）写入数据。Bit[2..0]固定接为011，作为配置数据命令；Bit[7..3]为本 次下载的有效数据长度；Bit[31:8]为要下载数据，Bit[31]最先下载、Bit[8]最后下载。读取地 址S0+0000H（状态寄存器）内的数据，直至检测到配置标志位CONFIG_DATA_BO 为0。 若检测到CONFIG_DATA_BO=1，表明本次操作尚未完成，继续执行配置数据，否则执行下 一步。最后进行数据配置完成检验。读取地址S0+0000H（状态寄存器）内容，直至检测到 配置标志位CONF_DONE、nSTATUS 均为1，表明全部数据配置完成，向地址S0+E000H （配置端口）写入数据0x00H，完成本次下载软件操作。

5 结束语

方案严格按照 FPGA 的PS 模式进行配置，实现了专用芯片在DOS 系统下的动态配置。 经过试验验证，按照该方案设计的电路速度快，运行稳定，设计完全达到了预期的目的。

本文作者创新点: 该设计方案实现了FGPA 掉电后内部数据的自动清除，可以保障专用 芯片的保密性；另外本方案选用ALTERA 公司的EPM7256A 作为配置芯片，在其内部实现 下载电路，真正实现了“现场可编程”，根据本设计思想还可以轻松做到在线升级。

[1].PCI datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI+_1201469.html.
[2].EPM7256A datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EPM7256A+_301023.html.
[3].1bitdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/1bit_2178090.html.
[4].PCI9054 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI9054+_1054563.html.
[5].SF2datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF2_1184527.html.
[6].SF31datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF31_604269.html.
[7].SF32datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SF32_604270.html.