基于单片机的FPGA并行配置方法
摘要：讨论了基于SRAM技术的可编程逻辑器件FPGA的编程方式，并以ALTE RA公司FLEX10K系列器件为例，提出了一种利用单片机AT89C52对FPGA进行在线PPA（被动并行异步）配置的实用方法。实践表明，用单片机对FPGA进行并行配置，具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点，该方法可以广泛地应用于不同领域。
关键词：单片机 PPA FPGA 配置
在当今变化的市场环境中，产品是否便于现场升级、是否便于灵活使用，已成为产品能否进入市场的关键因素。在这种背景下，Altera公司的基于SRAM LUT结构的FPGA器件得到了广泛的应用。这类器件的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM的掉电易失性，系统每次上电时，必须重新配置数据，只有在数据配置正确的情况下系统才能正常工作。这种器件的优点是可在线重新配置ICR（In-Circuit Reconfigurability），在线配置方式一般有两类：一是通过下载电费由计算机直接对其进行配置；二是通过微处理器对其进行配置。前者调试时非常方便，但在应用现场是很不现实的。因此，如果系统重新上电时，系统本身具有自动加载可编程逻辑器件的编程文件，完成对可编程逻辑器件的配置，就可以省去了通过手工由下载电费对器件进行配置的过程。这种自动加载配置对FPGA的某些应用来说是必需的，在笔者参与研制的一种干扰系统中，利用单片机AT89C52对FLE X10K系列FPGA中的EPF10K10进行在线并行配置，取得了良好的效果。
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
1．1 FPGA器件的配置方式
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。相比而方，采用PPA 配置的方案却很少见到。但由于PPA配置模式为并行配置，其配置速度快，且配置时钟由FPGA内部产生（而PS等配置模式需要外加配置时钟），故其更有利于在线实现。本文的配置方案便是采用PPA配置方式实现的。
图1
1．2 FPGA器件的配置文件
ALTERA的MAX+PLUS 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。对于不同的目标器件，配置数据的大小不同，配置文件的大小一般由.tbf文件（即二进制文件）决定。本实例中，EPF10K10的配置文件.rbf的大小为1 5k。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。由于Altera提供的软件工具不自动生成.rbf文件，故文件需按照下面的步骤生成：①在MAX+PLUS II编译状态下，选择文件菜单中的变换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)，之后予以确定。
2 硬件电路设计
AT89C52对EPF10K10并行配置的硬件电路示意图如图1所示。经MAX+PLUS II编译生成配置文件（.sof），通过格式转换成为（.rbf）文件并存储在图中所示的存储器中。当使用PPA配置方式时，需要将MSEL1和MSEL0置为高电平。为了不使DCLK 出现不确定信号，必须将其经过1kΩ电阻上拉到Vcc。在采用PPA配置方式时，nCS和CS两个片选信号只需用一个。因此，如果采用其中一个作为片选信号，另一个必须直接置为有效位；如果选用CS作为片选信号控制配置，nCS必须接地；如果选用nC
S作为片选信号控制配置，CS必须接高电平。本实例中采用后者。NRS为读选通输入信号，它为低输入时，FLEX10K将RDYnBSY 信号置于DATA7引脚。当nRS不用时，必须将其置为高。nCE为FLEX10K器件的使能输入，nCE为低时使能配置过程。当器件是单片配置时，nCE必须始终为低。由于本实例为单片配置，故将nCE直接接地。然后将EPF10K10的nCONFIG、CONF_DONE、nSTA TUS、RDYnBSY分别接到AT89C52的P17、P14、P13引脚上。DATA[7..0]接到AT89C52的P07～P00。NWs为写选通输入，由低到高跳变时锁存DATA[7..0]引脚上的字节数据。要注意的是，nSTATUS引脚和CONF_DONE引脚是双向漏极开路输出，在作输出使用时，应用经过1.0kΩ的电阻上拉到Vcc。
图2
3 软件设计
3．1 配置原理
PPA配置方式的下载时序如图2所示。由图可以看出PPA模式的工作过程如下：
（1）启动配置
在nCONFIG引脚上产生一个低脉冲，等待nSTATUS回应一个低脉冲以及CONF_DONE变低。在nCONFIG跳高后4μs，内nST ATUS也跳高，表示FPGA可以配置了。
（2）配置过程
在对FPGA进行配置时，单片机将8位的配置数据放在FPGA器件的数据端，并且给nWS一个负脉冲，在nWS的上升沿，FP GA器件将该字节配置数据锁存；然后FPGA器件驱动RDYnBSY为低，表示它正在处理该字节信息，配置过程可以通过nCS和CS 引脚暂停。当RDYnBSY为低电平时，FLEX10K器件利用其内部振荡器（其频率一般为10MHz）在其内部将每一个字节的配置数据串行化。当FLEX10K器件准备接收下一个配置数据时，就使RDnBSY变高。单片机检测该高电平信号后，送出下一个字节的数据。这一过程一直持续到全部数据配置完成。在配置过程中，系统需要进行实时监测，一旦出现错误，nSATUS将被拉低，系统必须能识别出这个信号，并重新启动配置过程。
图3
（3）结束配置
配置数据全部正确写入芯片内部后，器件释放CONF_DONE，由外部将其拉高。如果单片机检测到这个信号，则表明配置成功；否则，要对其重新配置。
3．2 配置软设计
单片机实现配置过程的控制程序流程图如图3所示。
汇编程程序设计如下：
nCONFIG EQU P1.7
nSTATUS EQU P1.5
RDYnBSY EQU P1.3
CONF_DONE EQU P1.4
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0030H
；对数据长度相关进行初始化，其中所要配置的数据长度放在地址为0000H和0001H中；0000H放数据长度的低位，0001H放数据长度的高位
；从0002开始放置的是所要配置的数据
MAIN：MOV DPTR，#0000H
MOVX A，@DPTR
MOV R3,A; R3放配置数据个数的低位
MOV DPTR，#0001H
MOVX A，@DPTR
MOV R4,A; R4放配置数据个数的高位
MOV R5，#00H ；放配置数据个数的低位
MOV R6，#00H ；放配置数据个数的高位
；以下是将数据进行配置的子程序
COFIG：MOV DPTR，#0002H
CLR P1.7
ACALL DELAY4 ；延时约为15μs
JB nSTATUS,COFIG ;检测FPGA是否响应置低位
SETB nCONFIG ;FPGA响应置低位后，将nCONFIG置高位
STA_JUDGE:JB nSTATUS,COFIG_BEG；等待FPGA是否响应置高位，然后准备进行配置LJMP STA_JUDGE
COFIG_BEG:ACALL DELAY2
LJMP SEND_DATA
READY_DATA1:JNB nSTATUS,COFIG SEND_DATA:MOVX A,@DPTR ；读取数据PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPTR，#7000H ；读入FPGA地址JNB P1.3,$ ；判断RDYnBSY的状态MOVX @DPTR，A ；配置数据
POP DPL
POP DPH
INC DPTR
；以下实现配置个的判断
CLR C；
MOV A，#01H
ADD A，R5
MOV R5，A
MOV A，#00H
ADDC A，R6
MOV R6，A
MOV A，R5
CJNE A，03H，RESESH_COFIG
MOV A,R6
CJNE A,04H,RESESH_COFIG
CON_REFRESH:ACALL DELAY2 ;延时5μs，JB P1.4，END1 ；判断CONF_DONE的状态，看是否配置成功
LJMP COFIG
PESESH_COFIG:LJMPREADY_DATA1
;延时子程序，延时约为5μs
DELAY2：NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
RET
；延时子程序，延时约为15μs
DELAY4：MOV R1，#08H
DJNZ R1，$
RET
END1：END
本文讨论的基于单片机的FPGA并行配置方法具有线路结构简单、开发容易、成本低的特点。与常用的串行配置方法相比，该配置方法更具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点。虽然该配置控制电路是为配置ALTERA公司FLEX10k系列的FPGA 器件而设计的，但稍加修改也适用于其它系列的FPGA器件，故其有一定的通用性。
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开题报告的内容 一、本课题国内外状况，说明选题依据和意义 现在社会，以计算机技术为核心的信息技术迅速发展，以及信息的爆炸式增长，人类获得视觉信息的很大一部分是从各种各样的电子显示器件上获得的，对这些电子显示器件的要求也越来越高，在这些诸多因素的驱动下，显示技术也取得了飞速的发展。VGA(Video Graphics Array)是IBM在1987年随PS／2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。使用FPGA设计的VGA 显示控制器具有很高的灵活性，可以根据其不同的类型、尺寸、适用场合特别是不同的工业产品，做一些特殊的设计，以最小的代价满足系统的要求，而且可以解决通用的显示控制器本身固有的一些缺点。 VGA接口是与显示器进行通信的唯一接口，通过FPGA器件控制RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号，并参照有关标准，最后可以实现对VGA显示器的控制。VGA 图像控制器是一个较大的数字系统，传统放入图像显示方法是将图像数据传回电脑并通过显示器显示出来，在传输的过程中就需要CPU不断地对图像数据信号进行控制，这样就造成了CPU资源的浪费，同时系统还需要依赖电脑，因而降低了系统的灵活性。利用FPGA 芯片和EDA设计方法，可以根据用户的需要，设计出针对性强的VGA显示控制器，而且不需要依靠计算机，既能够大大降低成本，又可以满足生产实践中不断变化的需要，同时产品的升级换代也方便迅速。 基于这种目的，本设计采用了Altera公司的EDA软件Quartus II进行设计。 二、研究的基本内容、基本思路（方案）及解决的主要问题 2.1设计的主要内容 此设计要求实现某一分辨率下（如640*480@60Hz）的VGA显示驱动，能简单显示彩条、图像等。 1.熟悉FPGA芯片资料（如Cyclone系列）、集成开发环境Altera Quartus II、仿真软件ModelSim等设计相关工具、器件。 2.熟悉VGA工作原理及VGA接口协议、工作时序。 3.计算出合适的时序，并对原始时钟进行分频处理以获取符合时序要求的各频率。 4.须要显示的图像等可存储于外部存储器，运行时，从外部存储器读取显示数据。