摘  要： 為了高效正確配置Altera Cyclone IV系列FPGA，詳細(xì)研究了該系列FPGA配置的引腳、方式、原理圖、過程、時序和數(shù)據(jù)格式等，并比較了各配置方式。同時，通過一個實際工程應(yīng)用表明該系列FPGA配置方式的靈活多樣性。
關(guān)鍵詞： FPGA；Cyclone IV；配置方式；JTAG；主動串行；主動并行；被動串行；快速被動并行

　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）因其具有基于查找表技術(shù)、密度高、內(nèi)部可用于時序邏輯的觸發(fā)器比較多、采用靜態(tài)隨機訪問存儲器SRAM（Static Random Access Memory）架構(gòu)等優(yōu)良特點而被廣泛應(yīng)用在當(dāng)今復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中。FPGA能否啟動取決于它內(nèi)部有無配置數(shù)據(jù)，而其配置數(shù)據(jù)被載入其中是通過編程技術(shù)以某種配置方式實現(xiàn)的。
　編程技術(shù)有反熔絲、SRAM和Flash[1]3種形式。其中，反熔絲編程技術(shù)因其不能實現(xiàn)重配置的局限性而在當(dāng)今編程技術(shù)中逐漸被淘汰。SRAM編程技術(shù)因其配置速度快、重配置能力強等優(yōu)點而成為迄今為止在線調(diào)試最常用的配置技術(shù)，但是，由于SRAM的易失性，一旦FPGA芯片掉電，其內(nèi)部的配置信息就立即全部丟失，所以為了使FPGA能啟動，就必須在FPGA每次上電時對其重新配置[2]。Flash編程技術(shù)可以長期存儲配置數(shù)據(jù)，所以即使FPGA掉電，它也可以在FPGA下次加電時根據(jù)用戶已經(jīng)設(shè)計好的邏輯配置FPGA。一旦FPGA配置失敗，它就無法啟動，在這種情況下驗證FPGA內(nèi)部邏輯正確與否也就根本不可能實現(xiàn)。因此，研究并掌握FPGA的配置方式及其工程應(yīng)用是很有必要的。
1 Cyclone IV器件的配置方式
　Altera Cyclone IV系列器件都有聯(lián)合測試行動組JTAG（Joint Test Action Group）配置方式；除此之外，從FPGA配置時所處的主從位置上劃分有主動配置方式和被動配置方式；從FPGA配置時每個配置時鐘周期所傳輸?shù)呐渲脭?shù)據(jù)位寬上又劃分有串行配置方式（1 bit）和并行配置方式（8/16 bit）。綜上所述，Altera Cyclone IV系列FPGA單獨的配置方式經(jīng)排列組合后有主動串行AS（Active Serial）、主動并行AP（Active Parallel）、被動串行PS（Passive Serial）、快速被動并行FPP（Fast Passive Parallel）和JTAG這5種配置方式。
　Altera Cyclone IV系列器件的配置方式眾多，用戶可根據(jù)需要自行選擇一種或多種配置方式，但是每次配置FPGA時只能使用一種配置方式，不可同時使用多種配置方式。其中，JTAG配置方式是配置優(yōu)先級最高、最常用、最簡單的一種配置方式，而且它的選擇也與配置方式選擇引腳MSEL所設(shè)置的電平值無關(guān)，其他的配置方式都必須通過設(shè)置MSEL的電平值來確定。
1.1 復(fù)用配置引腳
　除JTAG配置方式外，其他幾種配置方式都復(fù)用以下配置引腳。
　（1）配置方式選擇引腳——MSEL。MSEL的數(shù)據(jù)位寬取決于FPGA，不同型號的FPGA其MSEL的數(shù)據(jù)位寬也會有所不同，且不能被懸空。在設(shè)置MSEL信號的高低電平時還需注意器件所支持的配置電壓標(biāo)準(zhǔn)（3.3 V/3.0 V/2.5 V/1.8 V/1.5 V）和上電復(fù)位延遲時間（快速/標(biāo)準(zhǔn)兩種）[3]。例如，Cyclone IV GX50這種芯片，在AS配置方式下其MSEL[3：0]的電平值就可在3.3 V的配置電壓標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)上電復(fù)位延遲時間下設(shè)為1001，而在3.3 V的配置電壓標(biāo)準(zhǔn)和快速上電復(fù)位延遲時間下設(shè)為1101。
?。?）配置使能引腳——nCE。其為FPGA的配置使能引腳，低電平有效。若只有一片F(xiàn)PGA，則該引腳必須始終為低電平[3]。
　（3）級聯(lián)時配置專用引腳——nCEO。它是多片F(xiàn)PGA級聯(lián)時的專用輸出引腳，F(xiàn)PGA配置完成后使其輸出低電平，從而驅(qū)動下一級FPGA的nCE引腳。
　（4）配置控制引腳——nCONFIG。其為控制配置過程的輸入引腳，其從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換將復(fù)位FPGA；而從低電平到高電平的轉(zhuǎn)換將啟動芯片配置。
?。?）配置狀態(tài)引腳——nSTATUS。其為雙向開漏引腳，其上電時為低電平，當(dāng)控制引腳由低變高時，其變?yōu)楦唠娖綇亩M(jìn)入配置階段。在配置過程中一旦其由高電平轉(zhuǎn)換到低電平就表示配置出錯，此時需要重新配置FPGA。
?。?）配置完成狀態(tài)引腳——CONF_DONE。其為雙向開漏引腳，配置完成狀態(tài)輸出引腳，高電平有效。在配置前和配置期間，F(xiàn)PGA將其驅(qū)動為低電平。當(dāng)所有配置數(shù)據(jù)被無誤接收且初始化周期開始后，F(xiàn)PGA將其置為三態(tài)，因為其信號線上有上拉電阻存在，所以其又被上拉為高電平，此時表示配置成功。
?。?）配置時鐘引腳——DCLK。對于被動配置方式，F(xiàn)PGA采用外部源提供的時鐘輸入和時鐘數(shù)據(jù)；對于主動配置方式，F(xiàn)PGA為配置接口提供時序。
　（8）配置數(shù)據(jù)引腳——DATA。對于串行配置方式，使用DATA0引腳接收配置數(shù)據(jù)；對于并行配置方式，使用DATA[7：0]引腳接收配置數(shù)據(jù)。
1.2 AS配置方式
　AS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中非常常用的方式，因其可由FPGA內(nèi)部的晶振提供配置時鐘，不需要外部時鐘源再額外提供配置時鐘，所以簡化了配置電路，節(jié)省了配置成本。當(dāng)然，配置時鐘也可由外部時鐘源通過芯片上的CLKUSR引腳提供，只是此時輸入到該引腳的最大頻率只能為40 MHz[3]。該配置方式下，F(xiàn)PGA與可擦除可編程配置存儲器（EPCS）需要連接DCLK、NCSO、ASDO（主動串行數(shù)據(jù)輸出）和DATA0這4個信號。DCLK信號給EPCS提供時鐘；NCSO信號為EPCS的片選信號（低電平有效）；ASDO信號向EPCS發(fā)送讀/寫命令和地址，以及寫數(shù)據(jù)；DATA0信號給FPGA傳輸配置數(shù)據(jù)。當(dāng)EPCS被選中時，在FPGA的配置階段，EPCS在每一個DCLK周期向FPGA傳輸1 bit配置數(shù)據(jù)。配置結(jié)束后，這4個信號處于高阻狀態(tài)。但是，在該配置方式下，配置時鐘頻率比較低，因為當(dāng)其由內(nèi)部晶振提供時只有20 MHz和40 MHz兩種模式，當(dāng)其由外部時鐘源提供時最大也只有40 MHz，所以當(dāng)配置數(shù)據(jù)比較大時，需要的配置時間就比較多，這樣就有可能不滿足某些通信系統(tǒng)的時序要求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)配置失敗。
　AS配置方式下對EPCS編程又細(xì)分為3種方式。方式一，通過JTAG接口在Nios II中利用EPCS控制器實現(xiàn)對EPCS的編程，此時，最終編程數(shù)據(jù)格式為原始編程數(shù)據(jù)（rpd）格式；方式二，通過JTAG接口在Quartus II中利用串行Flash加載器SFL（Serial Flash Loader）實現(xiàn)對EPCS的編程，此時，最終編程數(shù)據(jù)格式為JTAG間接配置（jic）格式；方式三，通過AS接口在Quartus II中直接實現(xiàn)對EPCS的編程，此時，最終編程數(shù)據(jù)格式為編程對象文件（pof）格式。其中，前兩種方式只需在PCB上焊接一個JTAG接口，既可實現(xiàn)對EPCS的編程，又可實現(xiàn)對FPGA的在線配置調(diào)試；而后一種方式則需在PCB上焊接AS專用接口才可以實現(xiàn)對EPCS的編程。其配置原理圖如圖1所示。

1.3 AP配置方式
　Altera Cyclone IV E系列FPGA具有AP配置方式，其配置時鐘僅由FPGA內(nèi)部的晶振提供。該配置方式下，F(xiàn)PGA需與閃存連接的信號為：nRESET（控制閃存復(fù)位的信號）、DCLK（供給閃存的時鐘信號）、FLASH_nCE（片選閃存的信號）、nOE（控制閃存輸出的信號）、nAVD（地址有效信號）、nWE（給閃存的寫使能信號）、DATA[15..0]（傳輸配置數(shù)據(jù)的信號）和PADD[23..0]（地址信號）。當(dāng)選中閃存時，在FPGA的配置階段，每一個DCLK周期閃存向FPGA傳輸16 bit配置數(shù)據(jù)。這種配置方式下編程閃存是通過FPGA的JTAG接口在Quartus II中利用并行Flash加載器PFL（Parallel Flash Loader）實現(xiàn)的，此時最終編程數(shù)據(jù)格式為pof格式。其配置原理圖如圖2所示。

1.4 PS配置方式
　PS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中比較常用的方式。但是，在工程應(yīng)用中若采用這種配置方式，F(xiàn)PGA需要連接一個智能主機（比如復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD/微控制單元MCU等）以給其提供配置時鐘和配置數(shù)據(jù)。在該配置方式下，智能主機在保證與存儲配置數(shù)據(jù)的閃存通信無誤的情況下，只需向FPGA提供一個DCLK信號和一個DATA0信號即可實現(xiàn)對FPGA的配置。另外，該DCLK信號還可以實現(xiàn)多種頻率以滿足用戶對配置時間的需求，這是該配置方式的一大亮點。但是，這種配置方式需要首先配置智能主機，然后才能通過智能主機編程閃存，最后在配置階段智能主機才能把閃存內(nèi)的配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內(nèi)，這樣就使得配置電路變得比較復(fù)雜，稍有不慎就會造成配置失敗，而且該配置方式必須有智能主機，這樣也就增加了配置成本。這種配置方式下，編程閃存是通過智能主機的JTAG接口在Quartus II中利用PFL實現(xiàn)的，此時，最終編程數(shù)據(jù)格式為pof格式。其配置原理圖如圖3所示。

1.5 FPP配置方式
　FPP配置方式與PS配置方式類似，只是在FPGA與智能主機連接時，用來傳輸配置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線需連接DATA[7：0]，從而使得智能主機在配置階段的每一個DCLK周期向FPGA傳輸8 bit配置數(shù)據(jù)。其與PS配置方式相比，極大縮短了配置同一器件所需的配置時間，這就更能滿足用戶對某些系統(tǒng)配置時間的要求。這種配置方式下編程閃存也是通過智能主機的JTAG接口在Quartus II中利用PFL實現(xiàn)的，此時，最終編程數(shù)據(jù)格式也為pof格式。其配置原理圖與圖3非常相似，只是此時FPGA的配置數(shù)據(jù)總線為DATA[7：0]。
1.6 JTAG配置方式
　JTAG配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中最常用的方式，它連接簡單、操作方便，廣泛應(yīng)用于在線調(diào)試。該配置方式下，F(xiàn)PGA只需與JTAG插頭連接測試時鐘（TCLK）、測試模式選擇（TMS）、測試數(shù)據(jù)輸入（TDI）和測試數(shù)據(jù)輸出（TDO）這4個信號即可。若芯片只使用JTAG配置方式，則還須把芯片的nCONFIG引腳拉高，MSEL引腳接地，DCLK引腳和DATA0引腳根據(jù)PCB的方便接高或接低[3]。連接時須把TCLK下拉，以避免TCLK引腳上出現(xiàn)有效的上升沿而誤觸發(fā)對TMS和TDI的采樣；須把TMS引腳上拉，以便JTAG接口能進(jìn)入旁路狀態(tài)，從而保證對FPGA的正常工作不造成任何影響；須把TDI引腳上拉，以便在FPGA正常工作時使JTAG接口能可靠地處于旁路狀態(tài)[4]。這種配置方式下，F(xiàn)PGA不能長期保存配置數(shù)據(jù)，一旦FPGA掉電，其內(nèi)部的配置信息就會丟失，在沒有其他配置方式的支持下，F(xiàn)PGA就會永久無法啟動，除非通過JTAG接口再次對FPGA芯片進(jìn)行配置，此時，配置數(shù)據(jù)格式為靜態(tài)存儲器對象文件（sof）格式。其配置原理圖如圖4所示。

1.7 配置過程及配置時序
　整個配置過程為：FPGA上電后，nCONFIG信號先置低以使芯片復(fù)位，然后再置高以啟動芯片配置，當(dāng)nSTATUS信號由低變高后，芯片就進(jìn)入配置階段并開始傳輸配置數(shù)據(jù)；當(dāng)配置數(shù)據(jù)傳輸完成后，CONF_DONE信號變高，標(biāo)志配置階段完成，然后進(jìn)入初始化階段；當(dāng)INIT_DONE信號變高時，標(biāo)志初始化階段完成，接著進(jìn)入用戶模式。配置時序如圖5所示。

2 Cyclone IV系列在工程中的配置應(yīng)用
　圖6為基于Nios II處理器的數(shù)據(jù)加密卡系統(tǒng)的配置電路原理圖。Nios II處理器為Altera公司FPGA的軟核，是該系統(tǒng)的控制核心。這里采用了JTAG、AS和FPP 3種配置方式的混合體。之所以有JTAG配置方式是因為它便于在系統(tǒng)編程和調(diào)試，而有FPP配置方式是為滿足系統(tǒng)對配置時間的需求，以提供可靠的保障。當(dāng)系統(tǒng)采用AS配置方式時，配置數(shù)據(jù)從EPCS中讀??；當(dāng)系統(tǒng)采用FPP配置方式時，配置數(shù)據(jù)從閃存中讀取。FPGA在系統(tǒng)上電后實際采用哪一種配置方式是由配置方式控制器決定的[5]。該系統(tǒng)采用Altera的EPM570（MAX II系列）CPLD作為配置方式控制器。FPGA通過預(yù)先編程在MAX II內(nèi)的配置方式選擇控制電路選擇上電后實際采用的配置方式。本次設(shè)計配置方式選擇的依據(jù)是輸入到MAX II內(nèi)的MSEL3信號的電平值。當(dāng)MSEL3信號為高電平時，F(xiàn)PGA選擇AS配置方式；當(dāng)MSEL3信號為低電平時，F(xiàn)PGA選擇FPP配置方式。

　綜上所述，Altera Cyclone IV系列FPGA的配置方式靈活多變，用戶可在具體的工程中根據(jù)實際需要選用合適的配置方式。當(dāng)今，隨著數(shù)字集成電路的發(fā)展，F(xiàn)PGA已成為復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主流之一，因此，掌握FPGA的配置方式及其工程應(yīng)用是當(dāng)代硬件工程師應(yīng)具備的基本功。
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