FPGA配置模式（Altera版）

在自己总结FPGA配置模式之前，看到一篇关于Altera的FPGA芯片的配置方式的文章，写的不错，拿来学习下。

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FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

　　如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

　　在很多项目设计中采用Altera 公司基于SRAM架构Cyclone系列器件。Cyclone器件与其他FPGA器件一样是基于门阵列方式为用户提供可编程资源的，其内部逻辑结构的形成是由配置数据决定的。这些配置数据可通过多种模式加载到FPGA内部的SRAM中，由于SRAM的易失性，每次上电时，都必须对FPGA进行重新配置。

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　　1 Cyclone FPGA 配置模式

　　Cyclone系列FPGA器件配置方案主要有三种，包括使用低成本配置芯片的主动串行(AS)配置、被动串行(PS)配置以及基于JTAG配置，实际应用时可以使用其中的一种方案配置Cyclone系列FPGA器件，来实现用户编程所要实现的功能。

　　Cyclone系列FPGA器件是用SRAM单元配置数据的。由于SRAM掉电后容易丢失数据，配置数据必须即时地下载到上电的Cyclone器件中。不同的配置模式可采用不同的专用配置芯片或数据源

　　这三种配置模式是由Cyclone器件的模式选择引脚 MSEL1和 MSEL0的高低电平来决定的，如果你的实际应用只要求单一的配置模式，可以把模式选择引脚连接到VCC端或接地端在切换引脚的过程中，器件的运行状态不会被影响。不管怎样，在重新配置之前，必须保障模式选择引脚的电平是有效的。

　　2 配置芯片的主动串行(AS)配置

　　在AS配置模式中，利用了新型低成本器件(如EPCS1、EPCS4)，这种专用配置芯片（Altera的专用配置芯片）是带有永久性存储器和四个引脚简单接口的串行配置器件，由于它的成本较低，可以解决配置器件成本高的问题。串行配置芯片提供一个串行接口去存取数据。在配置期间，Cyclone FPGA通过串行接口读取数据，如果有需要的话，对数据进行解压以及配置FPGA的SRAM单元。此模式是由FPGA去控制配置接口的，这种方案称为主动串行配置，简称AS配置。

　　专用串行配置芯片可选用EPCS1或EPCS4，其中EPCS1的存储空间是1Mbits, EPCS4存储空间是4Mbits ，设计者可根据配置文件的大小进行选择。主动串行配置芯片的主要配置引脚：DCLK，串行时钟输入端，来自Cyclone FPGA器件，提供串行接口时钟;DATA，串行数据输出端，在DCLK下降沿读出数据;ASDI，控制信号输入端，在DCLK上升沿锁存数据;nCS，使能输入端，低电平有效。

　　在系统上电期间，两芯片进入到上电复位阶段。当一旦进入上电复位，nSTATUS端为低电平，正在复位;同时CONF_DONE端为低电平，芯片还没有被配置。复位后，延迟100ms，FPGA释放nSTATUS端，由于上拉电阻的作用，该端变为高电平，此时进入到配置状态。一旦退出复位，所有用户I/O端进入三态状态。时钟信号DCLK是由FPGA内部产生的，用来控制整个配置循环以及为配置芯片串口电路提供时钟，时钟信号的频率范围在14MHZ至20MHZ之间。当DCLK下降沿到来时，使FPGA输出控制信号以及使配置芯片输出配置数据;当DCLK上升沿到来时，使FPGA锁存配置数据以及使配置芯片锁存控制信号。在所有配置数据被接收后，FPGA释放CONF_DONE端，通过10K的上拉电阻置为高电平，开始进入初始化阶段。Cyclone FPGA器件需要136个时钟周期严格地进行初始化。然后开始进入用户状态，这时INIT_DONE引脚跳变到高电平。

　　3 基于单片机的被动串行(PS)配置

　　采用微处理器的Cyclone FPGA被动串行配置方案的简化电路图。单片机配置过程很简单，单片机只需用5个I/O口与FPGA相连这5根信号线分别是：DATA0、DCLK、nCONFIG、nSTATUS和CONF_DONE。

　　具体配置过程如下：①nCONFIG=0 、DCLK=0，保持2us以上;②检测nSTATUS，若为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1us内nSTATUS将为0;③nCONFIG=0，并等待5us;④DATA0上放置数据，DCLK=1，延时;⑤DCLK=0，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(4)、(5)，直到所有数据送出为止;⑦此时CONF_DONE应变为1，表明FPGA的配置已完成。若所有数据送出后，CONF_DONE不为1，必须重新配置;⑧配置完成后，则送出若干个周期的DCLK，以使FPGA完成初始化。

　　值得注意的是，用MAX+PlusⅡ或QuartusⅡ生成的SOF或POF文件不能直接用于单片机配置FPGA，需要进行数据转换才能得到可用的配置数据。在MAX+PlusⅡ或QuartusⅡ中，都有数据转换选项，将.SOF文件转换为.rbf文件，然后再将.rbf文件直接写入单片机系统的某一ROM或Flash区域，这段数据的起始地址和长度都是已知的，按以上过程编写相应软件即可。

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　　4 配置数据压缩方法

　　Cyclone器件是一种支持解压配置数据的FPGA器件，允许存储在配置芯片或其他存储器的配置数据是经压缩处理的数据，在配置期间，这此压缩数据发送到Cyclone器件中即时被解压并对SRAM单元进行编程。AS配置模式和PS配置模式都可支持压缩方式，但基于JTAG配置模式却不支持压缩方式。初步数据表明压缩可减少35﹪至60﹪的配置数据位流，可减少数据的存储空间和传输速度以及配置设备的成本。

　　QuartusⅡ能生成带压缩的配置文件，可减少配置芯片和flash闪存空间及位流的传送时间。下面以QuartusⅡ5.1版为例介绍两种压缩配置文件的操作方法。

　　4.1 方法一：设计程序编写前在项目程序设置中激活压缩。

　　首先在Assignments菜单下点击Device项，弹出Settings窗口， 然后在Family选项中选择Cyclone器件，点击下面的Device&Pin Options弹出窗口，再选择Configuration窗口点击Generate Compressed bitstreams选项，最后按确定键结束设置。

　　4.2 方法二：设计程序编写后从Convert Programming Files窗口创建程序文件激活压缩。

　　首先下拉File 菜单，点击Convert Programming Files 弹出窗口，选择文件类型Programming File type(POF,SRAM HEXOUT,RBF,orTTF)，然后为POF output files,选择配置器件，再选择Add File 添加一个Cyclone SOF 文件，选择文件名加入到SOF Data 区，单击Properties选项，再确定，最后按Generate键生成。

　　5 结束语

　　串行配置方法的硬件电路简单、配置过程软件实现比较容易、工程应用方便。Cyclone 系列的FPGA器件逻辑资源、芯片速度等技术参数能够达到项目要求，性价比高，而且还有一定的扩充性。此种FPGA 的配置实现方法也适用于和其它CPU结合，应用于其它场合，只要严格按照软硬件的配置要求即可，因此在实际应用中具有参考价值。如今，CPLD/FPGA 已经成为数字系统开发的平台，并且以后将朝着高集成度、大容量、低成本、低电压、低功耗、资源多样化、适用于片上系统(SOC)、深亚微米工艺、各种软硬IP 库、动态可重构技术实用化等方面不断完善和提高。

 

内容来自：FPGA配置模式