FPGA 器件的配置方式和配置文件

FPGA 器件的配置方式和配置文件
Altera 公司生产的具有ICR 功能的FPGA 器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX 和ACEX等系列。它们的配置方式可分为PS（被动串行）、PPS（被动并行同步）、PPA（被动并行异步）、PSA（被动串行异步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五种方式。这五种方式都能适用于单片机配置。PS 方式因电路简单，对配置时钟的要求相对较低，而被广泛应用。

    CPU 仅需要利用5 个I/O 脚与FPGA 相连，就实现了PS 方式的硬件连接，具体信号见下表（信号方向从CPU 侧看）：



信号名
I/O
说明
Data
O
configuration data
DCLK
O
configuration clock
nCONFIG
O
device reset (a low to high transition starts the configuration within the device)
CONF_DONE
I
Status bit (gets checked after configuration, will be high if configuration complete)
nSTATUS
I
Status bit indicating an error during configuration if low
被动串行工作过程：当nconfig 产生下降沿脉冲时启动配置过程，在dclk 上升沿，将数据移入目标芯片。在配置过程中，系统需要实时监测，一旦出现错误，nSTATUS 将被拉低，系统识别到这个信号后，立即重新启动配置过程。配置数据全部正确地移入目标芯片内部后，CONF_DONE 信号跳变为高，此后，DCLK 必须提供几个周期的时钟（具体周期数与DCLK的频率有关），确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。
    Altera 的MAX+PLUS II 或Quartus II 开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方法的配置系统，而对于不同系列的目标器件配置数据的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf 文件决定。.rbf 文件即二进制文件。该文件包括所有的配置数据，一个字节的 .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。微处理器可以读取这个二进制文件，并把它装载到目标器件中。Altera 提供的软件工具不自动生成 .rbf 文件，须按照下面的步骤生成：
① 在MAX+PLUS II 编译状态，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，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential)，然后确定。配置操作过程：
CPU 按下列步骤操作I/O 口线，即可完成对FPGA 的配置：
1、nCONFIG="0"、DCLK="0"，保持2μS 以上。
2、检测nSTATUS，如果为"0"，表明FPGA 已响应配置要求，可开始进行配置。否则报错。正常情况下，nCONFIG="0"后1μS 内nSTATUS 将为"0"。
3、nCONFIG="1"，并等待5μS。
4、Data0 上放置数据（LSB first），DCLK="1"，延时。
5、DCLK="0"，并检测nSTATUS，若为"0"，则报错并重新开始。
6、准备下一位数据，并重复执行步骤4、5，直到所有数据送出为止。
7、此时Conf_done 应变成"1"，表明FPGA 的配置已完成。如果所有数据送出后，Conf_done不为"1"，必须重新配置（从步骤1 开始）。
8、配置完成后，再送出10 个周期的DCLK，以使FPGA 完成初始化。
FPGA 配置电路：
1、JTAG 接口：
    JTAG 接口可以用来调试FPGA，下载速度比较快，而且支持SignalTAP。但是不能用来编程EPCS 芯片。建议调试阶段采用JTAG 模式。电缆可以采用ByteBlaster （MV） 也可以用用ByteBlaster II。


2、AS 接口
    AS 接口主要是用来编程EPCS 芯片，同时也可以用来调试。具体过程是首先编程EPCS，然后通过EPCS 配置FPGA，运行程序。需要考虑的是EPCS 的编程次数是有限制的，虽然比EPC 系列要多，但是太频繁的擦除和写入对芯片还是有一定影响的。所以，我们建议在调试结束后，程序固化的时候才使用AS 方式。如果采用这种方式，必须采用ByteBlasterII。电缆才行。

3、采用CPLD 或者单片机配置FPGA

    可以通过这些配置引脚由CPLD 来对FPGA 进行配置。利用单片机配置FPGA 的电路图如下：

与上图对应的用单片机配置FPGA 的C 程序如下：
/* 用8031 加载ALtera 的FPGA，也可用于Xilinx 的FPGA 的加载 */
void load_epld(void)
{
unsigned char data i;
unsigned int data j;
unsigned char xdata * data pt;
SCON = 0x0; /* 设置8031 工作在方式0，同步串行方式 */
CONFIG = 0; /* 初始化FPGA */
i=4 /* 注意8031 的工作频率和速度，对于Xilinx 的FPGA，初始化的时间要长一些，具体查下各个FPGA 的参数 */
while(STATUS!=0) {
i--;
if(i==0) {
CONFIG = 0;
FPGA_Init_Error(); /* FPGA 初始化错误处理程序，自己编制 */
}
}
CONFIG = 1; /* 初始化FPGA 完毕 */
i=10; /* 注意8031 的工作频率和速度，各个FPG 的初始化的时间不一样，具体查下各个FPGA 的参数 */
while(STATUS!=1) {
i--;
if(i==0) {
CONFIG = 0; /* 错误时，使FPGA 处于初始化状态，保证电路处于安全状态 */
FPGA_Init_Error(); /* FPGA 初始化错误处理程序，自己编制 */
}
}
pt=(unsigned char xdata *)EPLD_DATA; /* EPLD_DATA 为FPGA 的存放地址 */
for(j=0; j < EPLD_Number; j++) { /* EPLD_Number 为FPGA 的加载字节数，当大于64K */
SBUF = *pt++; /* 字节时，要采用页面切换的方式 */
while(!TI); /* 等待1 个字节加载完毕 */
TI=0;
if(STATUS!=1) { /* 加载过程中，检查加载是否正确 */
CONFIG = 0; /* 错误时，使FPGA 处于初始化状态，保证电路处于安全状态 */
FPGA_Load_Error(); /* FPGA 加载错误处理程序，自己编制 */
}
}
if(CFG_DOWN!=1) { /* FPGA 数据加载完毕，检查加载是否正确 */
CONFIG = 0; /* 错误时，使FPGA 处于初始化状态，保证电路处于安全状态 */
FPGA_Done_Error(); /* FPGA 加载错误处理程序，自己编制 */
}
}