通過USB接口實現FPGA的SelectMap配置

1.引言
FPGA器件結合了 ASIC的高性能和微處理器的靈活，不僅擁有豐富的邏輯資源，而且可以進行方便靈活的配置。主動配置方式盡管配置速度快、實現簡單，但并未發揮 FPGA配置靈活的特點，適合于 FPGA用作單一應用的場合，并且大容量的配置芯片及其占用的電路板面積也帶來了較高的成本；被動配置方式需要使用外部控制單元產生配置時序，實現一般較為復雜，而且在目前常見的方案中，常由于接口速率限制 [1]或者采用微處理器介入數據傳輸等原因，而造成配置速度不高。
USB2.0協議在目前 PC外設的接口方案中非常流行，它支持高速率、多管道、多類型的數據傳輸，可以方便的構建出高性能的數據傳輸通道和靈活的控制通道。
本文提出了一種基于 USB接口的 FPGA SelectMap（并行被動）配置方式的實現方案，不但具有被動配置靈活、設計成本低的特點，而且實現簡單、配置快速。方案以 Xilinx Spartan3系列目前最大容量的 500萬門 FPGA（XC3S5000）作為配置目標，選用 Cypress EZ-USB FX2LP作為 USB設備芯片，并使用其內部的大容量端點 FIFO，在 GPIF狀態機的控制下，實現了一個高性能的配置數據傳輸通道。配置的進程則由設計的 USB請求來控制。此配置方案具有開發簡單、配置成本低、速度快、使用靈活的特點，具有很強的實用性。
2.系統的總體設計

如圖 1所示，系統使用 USB通道連接上位機和 EZ-USB。EZ-USB是一塊高速 USB外設芯片，它支持 USB協議所描述全部四種傳輸模式，并擁有 1個 64Byte 的控制傳輸專用端點、2個緩存為 64Byte的普通端點和 4個緩存最大可達 1KB、并可以進行四倍緩沖的大數據從端點轉移到外設（FPGA）的過程中，如果使用 USB設備芯片內嵌的 8051 MCU進行轉移的話，最快 8個時鐘周期才能傳輸一個字節的數據[2]，在 8051的時鐘周期為 48MHz情況下，傳輸速度為 6MB/s，遠小于 USB通道的傳輸速率，會成為瓶頸而無法發揮出 USB傳輸通道高傳輸速率的優勢；而如果通過位寬為 8bit的 FIFO來傳輸的話，最快情況下，每時鐘周期都可以傳輸一個字節數據[2]。在 EZ-USB中，大端點的緩存可以作為端點 FIFO直接連接 FPGA的配置數據輸入口形成高速傳輸通道，端點 FIFO的讀寫時序可由 EZ-USB內嵌的 GPIF[4]（General Programmable Interface）產生，MCU可以不參與端點到 FPGA的數據轉移，只起到配置和控制的作用，在 FIFO位寬為 8bit，GPIF時鐘頻率為 48MHz的情況下，傳輸速率為 48MB/s，這樣數據從端點到 FPGA的傳輸速度超過了上位機到端點的 USB中斷傳輸管道的最大速度，不對 USB傳輸通道構成瓶頸。