FPGA配置电路设计

本文节选自特权同学的图书《FPGA设计实战演练（逻辑篇）》

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我们所说的FPGA配置电路，一方面要完成从PC上把bit文件下载到FPGA或存储器的任务，另一方面则要完成FPGA上电启动时加载配置数据的任务。在开始设计FPGA的配置电路之前，我们不妨花一些篇幅简单的了解一下FPGA的配置过程和配置方式。（特权同学，版权所有）

前面已经强调过，FPGA是基于RAM结构的，当然了，也有基于FLASH结构的，但RAM结构的是主流，也是我们讨论的重点。而RAM是易失存储器，在掉电后保存在上面的数据就丢失了，重新上电后需要再次下载配置数据。因此，我们肯定不希望每次重新上电后都用PC去下载一次，工程应用也不允许我们这么做。所以，FPGA旁边都有一颗配置芯片，它通常是一颗FLASH存储器，或者是并行或者是串行接口的。不管是串行还是并行的FLASH，它们的启动加载原理基本相同，后面我们会一一讨论。（特权同学，版权所有）

为避免混淆，这里对FPGA的下载配置和启动配置做一点区分。FPGA器件的下载配置，是指将PC上的FPGA配置数据流通过下载线缆烧录到FPGA或者FLASH存储器中。而FPGA器件的启动配置，则是指将配置数据流从PC或者FLASH存储器中加载到FPGA内，使其运行起来。（特权同学，版权所有）

FPGA器件的下载配置，最常见的是基于JTAG的配置方式，这种方式既可以直接将PC上的配置数据流加载到FPGA上在线运行，也可以通过FPGA器件本身间接的将数据烧录到FLASH等外部配置芯片中。另一种下载配置是将配置数据流直接下载到配置芯片中。由于JTAG方式灵活多用，尤其是在线调试非常快速便利，因此我们的核心板电路中就只预留了JTAG接口。（特权同学，版权所有）

FPGA器件的启动配置主要有前面提到的JTAG方式，以及AS和PS配置方式。（特权同学，版权所有）

AS配置方式由FPGA器件引导配置过程，它控制着外部存储器及其初始化过程，EPCS系列配置芯片如EPCS1、EPCS4配置器件专供AS模式，目前只支持Cyclone/Cyclone II/Cyclone III系列。使用Altera串行配置器件来完成，FPGA器件处于主动地位，配置器件处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。（特权同学，版权所有）

PS配置方式则由PC或其它控制器控制配置过程。通过加强型配置器件，如EPC16、EPC8、EPC4等配置器件来完成。在PS配置期间，配置数据从外部储存器件通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。（特权同学，版权所有）

JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试等功能，使用IEEE Std 1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAM STAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。（特权同学，版权所有）

FPGA在正常工作时，它的配置数据存储在RAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用PS配置方式。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中FPGA配置信息是用普通编程器将设计所得的pof格式的文件烧录进去。（特权同学，版权所有）

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图3.33所示，PC端的Quartus II软件通过下载线缆将配置数据流（sof文件）下载到FPGA内部，下载完成后FPGA中立刻执行下载代码，速度很快，非常适合调试。（特权同学，版权所有）

图3.33 JTAG方式下载配置过程

FPGA下载数据到配置芯片的原理如图3.34所示，PC端的Quartus II软件通过下载线缆将配置数据流（jic文件）下载到配置芯片中。由于配置芯片和JTAG接口都是分别连接到FPGA的，他们不是直接连接，所以配置文件从PC先是传送到FPGA，然后FPGA内部再转送给配置芯片，这个过程FPGA相当于起到一个桥接的作用。（特权同学，版权所有）

图3.34 JTAG方式下载数据到配置芯片

看完JTAG模式下在线配置FPGA和烧录配置芯片的原理，我们再了解一下FPGA上电初始的配置过程。FPGA上电后，内部的控制器首先工作，确认当前的配置模式，如果是外部配置芯片启动，则通过和外部配置芯片的接口（如我们的SPI接口）将配置芯片的数据加载到FPGA的RAM中，配置完成后开始正式运行。当然了，有人可能在想，JTAG在线配置是否和配置芯片加载相冲突呢？非也，JTAG在线配置的优先级是最高的，无论此时FPGA中在运行什么逻辑，只要JTAG下载启动，则FPGA便停下当前的工作，开始运行JTAG下载的新的配置数据。（特权同学，版权所有）

先看器件手册中给出的一些相关参考设计，如图3.35所示，这是FPGA和用于配置的SPI FLASH的接口连接方式，即我们所说的AS配置方式。注意FPGA的几个主要引脚Nstatus\CONF_DONE\Nconfig\nce的连接，或者上拉，或者接地，主要是为了保证这些信号在上电初始处于一个确定的电平状态，防止错误电平导致误触发。DATA\DCLK\NCSO\ASDO这4个引脚便是SPI接口，连接到SPI FLASH。（特权同学，版权所有）

图3.35 AS配置参考电路的截图

如图3.36所示，FPGA有组MSEL引脚是用于设置FPGA初上电时的启动模式，我们使用的EP3C5器件没有bit3，只有bit2-0，上电使用FastAS模式从SPI FLASH里面加载配置数据。（特权同学，版权所有）

图3.36 MSEL引脚配置说明的截图

有了前面的理论做铺垫，我们的设计也就有依有据了。如图3.37所示，这是我们的FPGA器件EP3C5E144C8N的AS配置电路。M25P40是一颗4Mbit的SPI FLASH，兼容Altera推荐的专用配置芯片EPCS4，可用于存储配置数据。之所以选择4Mbit的SPI FLASH，是因为前面的图3.20已经给出了EP3C5器件的配置数据需要3Mbit左右，因此我们选择了比它略大一些的4Mbit的M25P40芯片。（特权同学，版权所有）

图3.37 FPGA的AS配置电路

前面是配置电路的一大任务，即上电启动配置数据的电路，通过一个SPI FLASH来实现。而另一个任务即下载，则是通过JTAG来实现的，JTAG这个概念网络上满天飞了，大家自己去消化，但凡有CPU的地方，基本都有JTAG的存在，FPGA也不例外。唯一需要大家注意的是Cyclone III器件的JTAG电压必须是2.5V。另外，还有一个提醒大家注意的是，即便前面的MSEL设置了FPGA启动模式是FastAS模式，但是JTAG永远是最高优先级的模式，任何时刻，只要JTAG需要进行下载配置，那么配置模式将会转换。JTAG下载插座电路如图3.38所示。（特权同学，版权所有）

图3.38 FPGA的JTAG下载插座电路