基于單片機的現場可編程門陣列的配置

1 引言

在大規模可編程邏輯器件出現以前，把器件焊接在電路板上是設計數字系統的最后一步。當設計存在問題并解決后，設計者往往不得不重新設計印制電路板。設計周期長，設計效率低。CPLD 、FPGA出現后，利用其在系統可編程或可重配置功能，設計者可以在進行邏輯設計而未進行電路設計時就把CPLD、FPGA焊接在電路板上，然后在設計調試時可一次次隨心所欲的改變電路的硬件邏輯關系，而不用改變電路板的結構。

2基于SRAM的FPGA的結構和原理

可編程邏輯器件從結構上可分為：

⑴ 乘積項結構器件。其基本結構是與-或陣列的器件，大部分簡單PLD和CPLD多是這種器件。

⑵ 查找表結構器件。由簡單的查找表組成可編程門，再構成陣列形式。大部分FPGA

器件都采用基于SRAM的查找表結構。如XILINX的XC4000系列pSPATRAN系列，ALTERA的FLEX10K 系列pACEX系列都是基于SRAM查找表的典型FPGA器件。查找表（LUT）是一種函數發生器，一個N輸入查找表能實現N個輸入變量的任何邏輯功能。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成有4位地址線的16×1bit的RAM。當用戶通過GDF原理圖或VHDL語言描述了一個邏輯電路后，FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把結果事先存入查找表。這樣，當多個信號進行邏輯運算時就等于輸入一個地址進行查表，找出地址所對應的內容，然后將其輸出即可。

3 FPGA的配置原理

FPGA使用SRAM單元來保存配置數據。這些配置數據決定了FPGA內部的互連關系和邏輯功能，改變這些數據，也就改變了器件的邏輯功能。由于SRAM 的數據是易失的，因此這些數據必須保存在FPGA器件以外的EPROM、EEPROM或FLASH ROM等非易失存儲器內，以便使系統在適當的時候將其下載到FPGA的SRAM單元中，從而實現在系統可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability）。ALTERA公司的FPGA有兩種配置下載方式：主動方式（AS）與被動方式(PS)。在實驗系統中，通常用計算機或控制器進行調試，可采用被動方式。將在FPGA集成開發環境（如QUARTUSII）下經編譯p仿真后形成的編程文件用下載電纜下載到FPGA中，進行硬件調試與驗證。電路設計成功后，將配置數據燒寫固化在一個由ALTERA生產的專用EEPROM（如EPC1441）中。上電時，由這片配置 EEPROM先對FPAG加載數據，幾十毫秒后，FPGA即可正常工作。

ALTERA的FPGA有六種配置模式:配置器件pPS(Passive Serial)模式pPPS(Passive

Parallel Synchronous)模式pPPA（Passive Parallel Asynchronous）模式、PSA(Passive Serial Asynchronous)模式pJTAG(Joint Test Action Group)模式。其中，PS模式因FPGA與配置電路的互連最簡單，對配置時鐘的最小頻率沒有限制而應用最廣泛，因此在ICR控制電路中通常采用PS配置方式來實現ICR功能。FPGA器件有三種工作狀態：配置狀態，初始化狀態，正常工作狀態（用戶模式）。其時序如圖

4 用單片機配置FPGA

目前很多產品都廣泛用了FPGA，雖然品種不同，但編程方式幾乎都一樣：利用專用EPROM對FPGA進行配置。專用的EPROM價格不便宜，且大都是一次性OPT方式編程。一旦更改FPGA設計，代價不小。而且在FPGA實際應用中，設計的保密性和可升級性是非常重要的，用單片機來配置FPGA可以很好的解決上述問題。單片機用PS模式配置FPGA的時序與圖1相同。配置時關鍵是用單片機產生合適的時序。