用CPU配置Altera公司的FPGA

1、用CPU配置Altera公司的FPGA一. 概 述目前很多产品都广泛用了FPGA，虽然品种不同，但编程方式几乎都一样：利用专用的EPROM对FPGA进行配置。专用的EPROM价格不便宜，且大不跟上都是一次性OPT方式编程。一旦更改FPGA设计，代价不小。 为了进一步降低产品的成本和升级成本，可以考虑利用板上现有CPU子系统中空闲的ROM空间存放FPGA的配置数据，并由CPU模拟专用EPROM对FPGA进行配置。 本文将以PowerPC860和EP1K30为例，讲解如何利用CPU来配置FPGA。CPU配置FPGA的优点与Configuration EPROM方式相比本设计有如下优点：1 降低硬件

2、成本省去了FPGA专用EPROM的成本，而几乎不增加其他成本。以ALTERA的10K系列为例，板上至少要配一片以上的EPC1，每片EPC1的价格要几十元，容量1M位。提供1Mb的存储空间，对于大部分单板来说（如860系统的单板），是不需要增加硬件的。即使增加1Mb存储空间，通用存储器也会比FPGA专用EPROM便宜。2 可多次编程FPGA专用EPROM几乎都是OTP，一旦更换FPGA版本，旧版本的并不便宜的EPROM只能丢弃。如果使用本设计对FPGA配置，选用可擦除的通用存储器保存FPGA的编程数据，更换FPGA版本，无须付出任何硬件代价。这也是降低硬件成本的一个方面。3 实现真正"

3、现场可编程"-FPGA的特点就是"现场可编程"，只有使用CPU对FPGA编程才能体现这一特点。如果设计周全的话，单板上的FPGA可以做到在线升级。4 减少生产工序-省去了对"FPGA专用EPROM"烧结的工序，对提高生产率，降低生产成本等均有好处。对于双面再流焊的单板，更可省去手工补焊DIP器件的工序。当然，与Configuration EPROM方式相比也有一些需要注意的的地方：1 需要CPU提供5根I/O线-一般来说，这并不困难。对于MPC860一类的CPU来说，区区5根I/O线是不成问题的。即使是某些设计中实在没有多余的I/O供配置使用，

4、也可通过板上的PLD扩展。虽然这样做可能会增加成本，但获得的真正"现场可编程"的功能是非常宝贵的。2 CPU的Boot应不依赖于FPGA-这在单板设计时需要特别考虑的。由于CPU对FPGA进行配置所需的资源很少，这一点比较容易做到。设计摘要本设计严格按照FPGA的PS配置流程进行，并在配置过程中始终监测工作状态，在完善的软件配合下，可纠正如上电次序导致配置不正常等错误。因此，采用此方法对FPGA进行配置，性能将优于Configuration EPROM方式。本设计是利用板上现有CPU子系统中空闲的ROM空间存放FPGA的配置数据，并由CPU模拟专用EPROM对FPGA进行配

5、置，以降低硬件成本并实现FPGA的在线升级。本设计已在MPC860和EP1K30环境下完成验证，适用于有5个多余I/O的CPU对Altera FPGA的配置。参考资料ALTERA：AN-116 Configuring SRAM-Based LUT DevicesALTERA: ACEX 1K Programmable Logic Device Family二. 硬件设计1.配置基本原理RAM-Based FPGA由于SRAM工艺的特点，掉电后数据会消失。因此，每次系统上电后，均需对FPGA进行配置。对于Altera的FPGA，配置方法可分为：专用的EPROM （Configuration EP

6、ROM）、PS（Passive serial 无源串行）、PPS（Passive parallel synchronous 无源同步并行）、PPA（Passive parallel asynchronous 无源异步并行）、JTAG（不是所有器件都支持）。本设计采用PS方式对FPGA进行配置，是基于如下几个方面的考虑：1 PS方式连线最简单2 与Configuration EPROM方式可以兼容（MSEL0、1设置不变）3 与并行配置相比，误操作的几率小，可靠性高只需利用CPU的5个I/O线，就可按图 2所指示的时序对FPGA 进行PS方式的配置。2.配置电路的连接CPU仅需要利用5个I/O脚

7、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Data0Oconfiguration dataDCLKOconfiguration clocknCONFIGOdevice reset (a low to high transition starts the configuration within the device)Conf_doneIStatus bit (gets checked after configuration, will be high if configuration complete)nSTATUSIStatus bi

8、t indicating an error during configuration if low 图 3 PS配置单片FPGA的硬件连接  图 4 PS配置多片FPGA的硬件连接 3.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2S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1S内nSTATUS将为"0&quo

9、t;。3 nCONFIG="1"，并等待5S。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。注意事项：

10、1 DCLK时钟频率的上限对不同器件是不一样的，具体限制见下表：型号最高频率ACEX1K、FLEX10KE、APEX20K33MHzFLEX10K16MHzAPEXII、APEX20KE、APEX20KC57MHzMercury50MHz2 步骤7中FPGA完成初始化所需要的10个周期的DCLK是针对ACEX 1K和FLEX 10KE的。如果是APEX 20K，则需要40个周期。3 在配置过程中，如果检测到nSTATUS为"0"，表明FPGA配置有错误，则应回到步骤1重新开始。 图 5 操作流程框图  4.实现在线升级采用本模块的最大优点是可以

11、实现单板FPGA的在线升级。要实现在线升级，单板设计必须考虑以下几个问题：1 CPU的启动必须不依赖于FPGA，即CPU子系统应在FPGA被配置前可独立运行并访问所需资源。CPU对FPGA进行配置所需的资源很少，一般来说，仅RAM和BootROM的访问而已。2 FPGA配置前（或配置过程中）必须保证控制的设备处于非工作态或不影响其他设备工作的稳定态。3 为了实现FPGA的在线升级，存放FPGA配置数据的存储器器必须是CPU可重写的，且此存储器应是非易失性的，以保证单板断电后，FPGA数据不需从后台重新获得。具体过程结合图6的实例，对FPGA在线升级作一具体描述。图6 FPGA在线升级1 使用编

12、译和连接工具，将FPGA的第一个版本与MPC860的工作程序连接在一起，分别占用地址为0x70000-0x7FFFF和0x00000-0x6FFFF的存储空间。2 单板启动时，MPC860自动将0x70000-0x7FFFF的数据下载到FPGA中，完成FPGA配置。3 当FPGA需升级时，将新的RBF配置文件放在后台计算机中。4 MPC860把BOOTROM的0x70000-0x7FFFF空间当作普通数据存储区，通过后台将新的RBF配置文件放在0x70000-0x7FFFF中。5 MPC860调用BOOTROM中的FPGA配置子程序，对FPGA从新下载数据，完成FPGA升级。以MPC860和A

13、ltera EP1K30为例，电原理图如下：图7 电原理图软件编程文件格式的转换MAX+plusII或QuartusII生成的SOF或POF文件不能直接用于CPU配置FPGA中，需要进行数据转换才能得到软件可用的配置数据。在MaxplusII中的具体步骤如下：1 进入数据转换对话框图1 进入数据转换对话框2.选择需要转换的SOF文件，对于配置多个FPGA的场合，应选择所有的SOF文件并排好次序。输出文件的格式我们选则二进制的rbf(Sequential)。 （也可以选择其他格式，如HEX等，在CPU软件编写上会与本文例子略有区别，关于不同文件格式的区别，在altera的AN116号文档上有详细

14、解释）图2 选择相应的输出数据格式在QuartusII软件的file菜单下，同样可以找到类似菜单进行格式转化。 CPU程序设计以MPC860为例，我们可以将转换完成的RBF文件作为二进制文件，直接写到MPC860系统的某一ROM/Flash区域。由于这段数据的起始地址和长度都是已知的，相应的软件编写是很方便的。本设计的CPU源程序void InitPORT(void) / 初始化PB口相应位：/ PB24-输出，PB25-输入，PB26-输出，PB27-输入，PB28-输出IMMR->pip_pbpar=0x00000000;IMMR->pip_pbdir=0xFFFFF

15、5AF;IMMR->pip_pbodr=0x00000000;IMMR->pip_pbdat=0xffffff57;UBYTE Fpga_DownLoad(void) / FPGA配置UBYTE *Bootaddr;UWORD CountNum=0x0;UBYTE FpgaBuffer, i;/ 获得Boot区首地址Bootaddr=(UBYTE *)(IMMR->memc_or0 & IMMR->memc_br0 & 0xFFFF8000);Set_nCONFIG(0); / nCONFIG="0"，使FPGA进入配置状态Set_D

16、CLK(0);DELAY5us();if (Read_nSTATUS() = 1) / 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Err_LED(1);return 0;Set_nCONFIG(1);DELAY5us();/ 开始输出配置数据：while(CountNum <= 0x0e74e)FpgaBuffer= *(Bootaddr+0x70000+CountNum);for (i=0; i<8; i+) / DCLK="0"时，在Data0上放置数据（LSB first）Set_Data0(

17、FpgaBuffer&0x01);Set_DCLK(1); / DCLK->"1"，使FPGA读入数据FpgaBuffer >>= 1; / 准备下一位数据if (Read_nSTATUS() = 0) / 检测nSTATUS，如果为"0"，表明FPGA配置出错 Err_LED(1);return 0;Set_DCLK(0);CountNum+;/ FPGA初始化：/ ACEX 1K和FLEX 10KE需要10个周期，APEX 20K需要40个周期for(i=0; i<10; i+)Set_DCLK(1);DELAY100

18、us();Set_DCLK(0);DELAY100us();Set_Data0(0);if (Read_nCONF_Done() = 0) / 检测nCONF_Done，如果为"0"，表明FPGA配置未成功Err_LED(1);return 0;return 1; / 成功返回/ Data0输出void Set_Data0(UBYTE setting) / PB24if (setting) IMMR->pip_pbdat |= 0x00000080;else IMMR->pio_pbdat &= 0xFFFFFF7F;/ 读nSTATUS状态UBYTE

19、Read_nSTATUS(void) / PB25if (IMMR->pio_pbdat & 0x00000040) return 1;else return 0;/ 设置nCONFIG电平void Set_nCONFIG(UBYTE setting) / PB26if (setting) IMMR->pip_pbdat |= 0x00000020;else IMMR->pio_pbdat &= 0xFFFFFFDF;/ 读nCONF_Done状态UBYTE Read_nCONF_Done(void) / PB27if (IMMR->pio_pbdat

20、& 0x00000010) return 1;else return 0;/ 输出DCLKvoid Set_DCLK(UBYTE setting) / PB28if (setting) IMMR->pio_pbdat |= 0x00000008;else IMMR->pio_pbdat &= 0xFFFFFFF7;/ 结束我们已在某单板上实现了该设计。现以该单板为例，说明如何实现CPU对FPGA的配置。在该单板上是使用MPC860作CPU，BootROM采用SST39VF040，一片FPGA型号EP1K30QC208-3。我们在MCP860的PB口选5根线与EP1K

21、30连接成PS配置方式，硬件连接参考第二章，Data0也由MPC860输出，信号定义见下表： MPC860引脚I/O信号名称EP1K30引脚PB24ODATA0156PB25InSTATUS52PB26OnCONFIG105PB27ICONF_DONE2PB28ODCLK155EP1K30所需要的配置数据为58kB（准确的长度参见生成的RBF文件），由于BootROM比较空，我们将配置数据安排在BootROM的0x700000x7FFFF区间内。第一次的配置数据可利用编程器将RBF文件当作二进制文件写到BootROM的起始地址为0x70000的区域，也可以通过860仿真器把数据写到指定位置。具

22、体软件操作参见第二章。FPGA在线更改配置为检验FPGA在线升级的可能性，我们在CPU的BootROM中放置了不同逻辑的FPGA配置数据。CPU正常运行时，测试软件随意更换FPGA的配置数据。在每次配置完成后，FPGA均能实现相应的逻辑功能。如果和系统软件配合，在线更改EPROM中的配置数据，FPGA的在线升级是完全可以实现的。为了便于调试和实际生产，我们将FPGA的初始配置数据放置在BootROM中。如某些单板BootROM的写功能必须禁止，此时FPGA配置数据可放在其它存储器中，如存放应用程序的FLASH中，升级FPGA配置数据可以和升级应用程序一并完成。电缆下载为了提高调试进度，通常会采

23、用电缆下载的方式。在单板上兼容这两种配置方式有多种办法，我们采用了比较简单又便于生产的"0欧姆电阻连接方式"。电气连接的示意图如下：图1 兼容电缆下载在最初调试FPGA时，R1R5不焊，直接用电缆下载。同时，MPC860的程序中跳过FPGA配置的代码。等FPGA设计定型后（相当于准备使用EPC1时），焊上R1R5，利用CPU配置FPGA。当然，R1R5也可改用跳线或拨动开关。这两种连接方式在开发调试中比0欧姆电阻方便，但实际使用中可靠性不如0欧姆电阻高，如跳线会出现短路块脱落、拨动开关会出现接触不良等现象。而且，0欧姆电阻连接方式最便于生产，价格也最低。建议开发阶段的单板可以用跳线或拨动开关，转产时采用0欧姆电阻连接方式。在使用下载电缆时需要注意电源的选择。由于Altera以前的Byteblaster下载电缆是5V供电的，有不少设计都把下载电缆插座接到5V电源上，这种5V供电的下载电缆可能导致不能忍受5V信号的CPU损坏。因此，使用本模块时，下载电缆应使用低电压版本的ByteblasterMV，下载插座的电源接3.3V。使用、调试、维护说明如果使用本模块出现配置出错，有如下可能：错误原因