第6章 Altera公司FPGA的配置

1、6.1Altera公司的下载电缆,针对FPGA器件不同的内部结构，Altera公司提供了不同的器件配置方式。AlteraFPGA的配置可通过编程器、JATG接口在线编程及Altera在线配置等方式进行。Altera器件编程下载电缆的有：ByteBlaster并行下载电缆，ByteBlasterMV并行下载电缆，MasterBlaster串行USB通信电缆，BitBlaster串口下载电缆。,1、ByteBlaster并行下载电缆,ByteBlaster并行下载电缆是一种连接到PC机25针标准口（LPT口）的硬件接口产品。ByteBlaster并行下载电缆可以对FLEX10K、FLEX8000和

2、FLEX6000进行配置，也可以对MAX9000（包括MAX9000A）、MAX7000S和MAX7000A进行编程。ByteBlaster为FPGA提供了一种快速而廉价的配置方法，设计人员的设计可以直接通过ByteBlaster下载电缆下载到芯片中去。,（1）下载模式,ByteBlaster并行下载电缆提供两种下载模式：Passiveserialmode（PS，被动串行模式）用于配置FLEX10K、FLEX8000和FLEX600O系列器件。JTAG模式采用工业标准的JTAG边界扫描测试电路（符合IEEE1149.1-1990标准）用于配置FLEX10K、MAX9000、MAX7000S和M

3、AX7000A系列器件进行编程。,（2）电缆插头与插座,ByteBlaster与PC机并口相连的是25针插头，与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座。编程数据从PC机并口通过ByteBlaster电缆下载到电路板。连接示意图如图6.1所示。注意：利用ByteBlaster下载电缆配置编程3.3V器件（如FLEX10KA、MAX7000A器件）时，要将电缆的VCC脚连到5.0V电源，而器件的VCC脚连到3.3V电源。FLEX10KA和MAX7000A器件能够耐压到5.0V，因此，ByteBlaster电缆的5.0V输出不会对3.3V器件造成损害，但5.0V电源中应连接上拉电阻。Byte

4、Blaster与PC机并口相连的是25针插头，在PS模式下和在JTAG模式下的引脚信号名称是不同的，如表6.1所示。,图6.1ByteBlaster与PC并口连接示意图,ByteBlaster与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座，在PS模式下和在JTAG模式下的引脚信号名称如表6.2所示。注意：PCB板必须给下载电缆提供电源VCC和信号地GND。,（3）电缆线,ByteBlaster的电缆线一般使用扁平电缆，长度不超过30cm，否则带来干扰、反射及信号过冲问题，引起数据传输错误，导致下载失败。如果PC机并行口与PCB电路板距离较远，需要加长电缆，则可在PC机并行口和ByteBlas

5、ter电缆之间加入一根并行口连接电缆。,（4）PCB电路板上的10针连接插头,PCB板上的10针插头连接到FPGA器件的编程或配置引脚上，ByteBlaster下载电缆的10针插座连接到PCB板上的10针插头，ByteBlaster电缆通过10针插头获得电源并下载数据到FPGA器件上。,2.ByteBlasterMV并行下载电缆,ByteBlasterMV并行下载电缆具有与PC机25针标准并行口相连的接口，工作电压VCC支持3.3V或5.0V，允许PC机用户从MAXPLUS或Quartus开发软件中下载数据，通过PC机标准并行口在线编程MAX9000、MAX7000S、MAX7000A、MAX

6、7000B和MAX3000A系列器件；可配置APEX、APEX20K（包括APEX20K、APEX20KE和APEX20KC）、ACEX1K、Mercury、FLEX10K（包括FLEX10KA和FLEX10KE）、FLEX8000和FLEX6000系列器件及Excalibur嵌入式微处理器。,工作电压VCC支持3.3V或5.0V。使用与ByteBlaster并行口和BitBlaster串口下载电缆相同10针电路板连接器与FPGA应用电路板（PCB）连接。,（1）下载模式,ByteBlasterMV下载电缆提供两种下载模式：被动串行模式（PS）用于配置APEX、APEX20K、ACEXIK、M

7、ercury、Excalibur、FLEX10K、FLEX8000和FLEX6000系列器件；JTAG模式具有标准的JTAG接口，用于编程或配置APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、Excalibur、FLEX10K、MAX9000、MAX7000S、MAX7000A、MAX7000B和MAX3000A系列器件。,（2）连接,ByteBlasterMV下载电缆与PC机并行口相连的是25针插头，与PCB电路板相连的是10针插座。数据从PC机并行口通过ByteBlasterMV电缆下载到电路板中。注意：为了利用ByteBlasterMV下载电缆配置1.5VAPEX、1.8VAPE

8、X20KE、2.5VAPEX20K、Excalibur、Mercury、ACEXIK和FLEX10KE器件，3.3V电源中应该连接上拉电阻，电缆的VCC脚连到3.3V电源，而器件的VCCINT引脚端连到相应的2.5V、1.8V或1.5V电源。对于PS配置，器件的VCCIO引脚端必须连到2.5V或3.3V电源。对于APEX、Mercury、ACEX1K、APEX20K和FLEX10KE系列器件的JTAG在线配置，或MAX7000A和MAX3000A系列器件的JTAG在线编程，电缆的VCC引脚端则必须连接3.3V电源。器件的VCCIO引脚端既可连到2.5V，也可连到3.3V电源上。,（3）电缆插头

9、与插座,ByteBlasterMV的25针插头，与ByteBlaster下载电缆的区别仅是第15脚不同，ByteBlaster连到GND，而ByteBlasterMV连到VCC。ByteBlasterMV的10针插座与ByteBlaster电缆的10针插座完全相同。PCB电路板上的10针连接插头与采用ByteBlaster下载电缆的方式完全相同。,（4）软件编程和配置步骤,使用ByteBlasterMV电缆和Quartus编程器，对一个或多个器件进行编程或配置的步骤如下：对项目进行编译Quartus编译器对APEX、APEX20K、Mercury和Excalibur系列器件的配置自动产生.so

10、f文件，为了对EPC配置芯片进行编程，就要用到.pof文件或JAMSTAPL格式文件。,连接ByteBlasterMV电缆到PC机的并行口，将10针插座插到包含目标器件的电路板中，电路板必须为ByteBlasterMV电缆提供电源。对于WindowsNT操作系统，在使用ByteBlasterMV电缆前必须安装驱动器。打开Quartus编程器，在Processions菜单中选择OpenProgrammer，然后点击Setup命令，在编程器硬件部分指定ByteBlasterMV电缆和相应的LPT端口。,根据用户电路板上的器件连接方式，在模式项中选择PassiveSerial或JTAG模式，然后点击

11、AddFile或AddDevice按钮，增加将要编程或配置的文件或器件，并建立一个器件链（chain）描述文件（.cdf）。编程器具有两种编程模式：被动串行（PS）与JTAG模式。在被动串行模式下，在器件链中选择.sof文件。在JTAG模式下，在器件链中应增加特定的器件和配置器件，除了.sof和.pof文件外，在器件链中对每个配置器件都有几个可编程选项，包括对照编程文件的数据校验一个EPC配置器件的内容，检测器件是否空，检查已编程器件并将其中的数据保存到文件中，或者使用其数据编程或校验其它的配置器件。,在Quartus软件的编程器中选择Start按钮开始编程或配置器件。ByteBlasterM

12、V电缆从.sof、.pof文件中下载数据到目标器件。,主系统通用10针标准配置/下载接口,目标板10针标准配置接口,PIN1,OTP配置器件插座,6.2使用ByteBlasterMV的两种配置模式,Altera器件编程下载电缆与FPGA应用电路PCB电路板相连的是10针插座，在PS模式下和在JTAG模式下，完成对器件的配置。不同型号的下载电缆和器件，与下载电缆连接的电路不同。下面以MasterBlaster串行USB通信下载电缆和ByteBlasterMV下载电缆为例，介绍下载电缆配置电路设计。,1.PS（被动串行）模式,在PS（被动串行）模式下，MasterBlaster下载电缆和ByteB

13、lasterMV下载电缆可以对单个与多个APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件进行配置。在PS模式，配置数据从数据源通过MasterBlaster下载电缆和ByteBlasterMV下载电缆串行地传送到器件，配置数据由数据源提供的时钟同步。,（1）PS模式单个器件的配置电路设计,PS模式可以完成对单个APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的配置，配置电路如图6.2所示。图中：除APEX20KE、APEX20KC系列器件外，上拉电阻应该连接到MasterBlaster（VIO脚）或

14、ByteBlasterMV的电源。对于APEX20KE、APEX20KC器件使用10k电阻上拉nCONFIG到VCCINT。MasterBlaster和ByteBlasterMV电缆的电源电压VCC为3.3V或5.0V。插座上的引脚端6为MasterBlaster电缆提供的VIO基准电压，VIO应与器件的VCCIO匹配。ByteBlasterMV电缆插座上的引脚端6不连接。,图6.2PS模式单个器件的配置电路,在图6.3电路中，在器件链中将每个器件的nCEO引脚端连接到下一个器件的nCE引脚端，所有其它配置引脚端应分别连接在一起，器件链中的第一个器件的nCE引脚端连接到地，最后一个器件的nCE

15、O引脚端悬空。在PS模式中，由于所有的CONF-DONE引脚端连接在一起，器件链中的所有器件初始化时同时进入用户模式。另外，由于所有的nSTATUS引脚端连接在一起，如果任何一个器件检测到错误，则整个器件链中断配置。,图6.3PS模式多个器件的配置电路,2.JTAG摸式,在JTAG模式下，MasterBlaster通信电缆和ByteBlasterMV下载电缆可以完成单个和多个APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的编程或配置。,（1）JTAG模式单个器件的配置电路设计,JTAG模式可以完成对单个APEX、APEX20K、Mercury、

16、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的配置，配置电路如图6.4所示。,图6.4JTAG模式单个器件的配置电路,（1）JTAG模式单个器件的配置电路设计,图6.4中，器件的配置是通过JTAG引脚端TCK、TMS、TDI和TDO完成的。上拉电阻应该连接到电缆的电源，APEX20KE、APEX20KC系列器件所有的上拉电阻均为10k。采用144引脚TQFP封装的FLEX10K器件没有TRST信号脚，此时TRST信号可以忽略。nCONFIG、MSELO、MSEL1引脚端应采用支持非JTAG配置模式的方式连接，如果仅仅使用JTAG配置模式，则nCONFIG引脚端应连接到VCC，MSEL

17、O和MSELI引脚端应连接到地。MasterBlaster电缆驱动器的参考电压VIO应与器件的VCCIO匹配。,APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K系列器件都有专用的JTAG引脚端，具有JTAG引脚端的一般功能，在配置前后都可进行JTAG测试，并不仅仅限于配置过程中。器件的芯片复位及输出使能引脚端，不影响JTAG边界扫描测试或编程操作。触发这些引脚端也不会影响JTAG操作。设计JTAG配置电路板时，常规的配置引脚端应充分考虑并连接好。在JTAG配置时需要连接的引脚端如表6.3所示。,表6.3在JTAG配置时需要连接的引脚,（2）JTAG模式多个器件的配置电路设

18、计,JTAG模式可以完成对多个APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K或FLEX6000系列器件的配置，配置电路如图6.5所示。,（2）JTAG模式多个器件的配置电路设计,图6.5JTAG模式多个器件的配置电路,当电路板包含多个器件时，或者电路板使用JTAG边界扫描测试（BST）时，采用JTAG器件链进行编程最为理想。在JTAG模式对多个器件（JTAG模式的器件链）进行编程时，一个JTAG模式的插座需要与多个器件相连接，JTAG器件链中器件的数目仅受电缆的驱动能力的限制。当器件数目超过5个时，Altera建议对TCK、TDI和TMS引脚端在电路板上加缓冲驱动。,在

19、图6.5中：APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K和MAX系列器件能放在同一JTAG器件链中，进行编程或配置。所有的上拉下拉电阻是1k。而APEX20KE、APEX20KC系列器件的nSTATUS与CONF-DONE引脚端的上拉电阻为10k。nCONFIG、MSELO、MSELI引脚端应采用支持非JTAG配置模式的方式连接，如果仅仅使用JTAG配置模式，则nCONFIG引脚端应连接到VCC，MSELO和MSELI引脚端应连接到地。,MasterBlaster电缆驱动器的参考电压VIO应与器件的VCCIO匹配。TRST引脚端仅对APEX、APEX20K、Mercu

20、ry、ACEX1K系列器件和除144引脚TQFP封装外的所有FLEX10K系列器件有效。在JTAG模式，对多个器件中的一个器件进行编程时，编程软件将多个器件中的其它器件处于Bypass（旁路）模式。在Bypass模式下，器件通过旁路（Bypass）寄存器，将编程数据从TDI引脚端传送到TDO引脚端。编程软件仅对目标器件进行编程与校验。,Quartus或MAXPLUS软件在JTAG配置结束时自动对成功的JTAG配置进行校验。在JTAG配置结束时，通过JTAG接口软件检查CONF-DONE的状态。如果CONF-DONE的状态不正确，Quartus或MAXPLUS软件指示配置失败；如果CONF-DO

21、NE的状态正确，Quartus或MAXPLUS软件软件指示配置成功。当使用JTAG引脚配置时，如果VCCIO被连到3.3V，则I/O引脚和JTAGTDO接口将在3.3V驱动。,JTAG配置模式和非JTAG配置模式不能同时进行。当利用JTAG模式进行配置时，允许首先完成任何非JTAG模式配置，例如先利用一个微处理器对APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K和FLEX10K系列器件进行非JTAG配置，然后再进行JTAG配置。,6.3Altera芯片配置电路设计,1.Altera的配置芯片,Altera公司为APEX、APEX20K、Mercury、ACEX1K、FLEX10K和FLE

22、X6000系列器件提供的一些专用配置芯片如表6.4所示，使用这些专用配置芯片可以完成Altera公司的FPGA芯片配置。EPC16、EPC8、EPC2配置芯片属于FlashMemory（闪存）器件，EPC1、EPC1441、EPC1213、EPC1064和EPC1064V配置芯片基于EPROM结构。设计中需要根据FPGA器件的容量，决定配置芯片的数目。适用ACEX,APEX,FLEX&Mercury器件的专用配置芯片选择方案如表6.5所示。例如：配置一个EP20K600E器件，需要4个EPC2芯片。同理，配置一个EP1M350器件需要1个EPC16或者3个EPC2芯片。EPC1、EPC1441

23、、EPC1213、EPC1064、EPC1064VPDIP-8封装形式如图6.6所示。EPC2PLCC-20封装形式如图6.7所示。,1.Altera的配置芯片,图6.6EPC1、EPC1441、EPC1213、EPC1064、EPC1064VPDIP-8封装形式,图6.7EPC2PLCC-20封装形式,2.对单个FPGA器件的配置,单个APEX、APEX20K、APEX20KC、Mercury、ACEX1K、FLEX10K和APEX20KE及FLEX6000器件的配置电路如图6.8所示。PS模式配置与芯片配置组合的配置电路如图6.9所示。,图6.8单个FPGA器件的配置电路,在图6.8中：（

24、1）上拉电阻应该连接到配置器件的电源端。（2）除APEX20KE、APEX20KC系列器件的上拉电阻为10k，其它系列器件的上拉电阻为1k。EPC16、EPC8和EPC2芯片的OE和nCS引脚端具有内部用户可配置上拉电阻，如果使用了这些引脚端的内部上拉电阻，则可以不使用外部上拉电阻。（3）nINIT-CONF引脚端仅对EPC16、EPC8和EPC2芯片有效。如果nINIT-CONF无效或未使用，nCONFIG必须直接或通过电阻连接到VCC。,（4）在EPC16、EPC8和EPC2芯片中，nINIT-CONF引脚的内部上拉电阻总是有效的，因此，在nINIT-CONF引脚端不需要外部上拉电阻。（5

25、）nCEO引脚端悬空。（6）为了保证APEX20KE和其它配置器件在加电时成功配置，nCONFIG上拉到VCCINT。（7）在EPC16、EPC8和EPC2芯片中，nINIT-CONF引脚的内部上拉电阻总是有效的，nCONFIG则必须通过10k电阻连接到VCCINT。,（8）配置APEX20KE器件时，为了隔离1.8V和3.3V电源，在APEX20KE器件的nCONFIG引脚端与配置芯片的nINIT-CONF引脚端之间加一个二极管。二极管门限电压应小于等于0.7V，二极管使nINIT-CONF引脚成为开漏引脚状态，仅能驱动低电平及三态。（9）EPC16、EPC8和EPC2芯片不能用来配置FLE

26、X6000系列器件。,图6.9PS模式配置与芯片配置组合电路,多个APEX、APEX20K、APEX20KC、Mercury、ACEX1K、FLEX10K和APEX20KE及FLEX6000器件的配置电路如图6.10所示。,图6.10多个FPGA器件的配置电路,在图6.10中：（1）在进行多器件主动配置时，设计人员必须从每个设计项目的SRAM目标文件（.sof）中产生配置芯片的编程目标文件（.pof），即在MAXPLUS软件的File菜单中打开CombineProgrammingFiles对话框，在该对话框中组合多个.sof文件以形成一个.pof文件。对APEX20K系列器件，Quartus软

27、件提供类似的选项，即在Quartus软件的Processing菜单中选择CompilerSettings，并在CompilerSettings对话框中点击ChipsDevices条，然后在DevicePinOption对话框中组合多个.sof文件以形成一个.pof文件。,（2）上拉电阻应该连接到配置器件的电源上。（3）除APEX20KE、APEX20KC系列器件的上拉电阻为10k，其它系列器件的上拉电阻为1k。EPC16、EPC8和EPC2芯片的OE和nCS引脚端具有内部用户可配置上拉电阻，如果使用了这些引脚的内部上拉电阻，则可以不使用外部上拉电阻。（4）EPC16和EPC8配置芯片不能级联。（5）器件链中最后一个器件的nCEO引脚端悬空。,（6）nINIT-CONF引脚端仅对EPC16、EPC8和EPC2芯片有效。如果nINIT-CONF无效或未使用，nCONFIG必须直接或通过电阻连接到VCC。（7）EPC16、EPC8和EPC2芯片不能用来配置FLEX6000器件。（8）为了保证APEX20KE和其它配置器件在加电时成功配置，nCONFIG引脚端上拉到VCCINT。,（9）配置APEX20KE器件时，为了隔离1.8