使用AVR單片機配置FPGA

Altera公司的ACEX、FLEX等系列的FPGA芯片應用廣泛，但其FPGA基于SRAM結構，決定電路邏輯功能的編程數據存儲于SRAM中。

由于SRAM的易失性，每次上電時必須重新把編程數據裝載到SRAM中，這一過程就是FPGA的配置過程。FPGA的配置分為主動式和被動式。在主動模式下，FPGA上電后主動將配置數據從專用的EPROM(如EPC1，EPC2等)加載到SRAM中。被動模式下，FPGA為從屬器件，由相應的控制電路或微處理器控制配置過程，包括通過下載電纜由計算機控制配置和單片機模擬配置時序配置。其中，專用的EPROM價格高，可編程次數少，而計算機配置在現場應用中又很不現實，因此本文提出一種基于AVR單片機的被動配置方式。由于AVR系列單片機的內嵌閃存的容量為8～128kB，可容納中小規模(10萬門以下)FPGA的配置文件并進行配置，另外還可實現多任務配置。以下將以FLEX10K10為例，介紹單片機對FPGA的雙任務配置。

ATmega系列單片機

ATMEL公司的ATmega系列單片機根據片內閃存的大小分為ATmega8、ATmega32、ATmega128等。本設計采用的是ATmega32，該單片機片內含16K×16共32KB的片內可編程ROM，可擦寫10 000次，能裝載2萬門以內FPGA的配置數據，最高性能可達16MIPS，可在最短的時間內完成FPGA的配置。如需要配置門數更高的FPGA，可采用MEGA128。

硬件電路設計

ATmega32內含32KB的閃存，FPGA為FLEX10K10，其配置文件的大小為15KB，因此該方案可實現雙任務配置。硬件連接上，采用單片機配置模式時，須將FLEX10K10的MESL0、MESL1、nCE接地，同時將nCONFIG、DCLK、DATA0、nSTATUS、CONF_DONE分別與MEGA32的PA0～PA4相連。MEGA32的I/O口均是可編程的，根據需要將PA0、PA1、PA2設置為輸出口，PA3、PA4設置為輸入口。另外，需在單片機的PB0、PB1上連接兩個按鍵以選擇配置任務。具體電路如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

配置方式

Altera公司FPGA器件的配置方式主要有AS(主動串行方式)、PS(被動串行方式)、PPS(被動并行同步方式)、PPA(被動并行方式)和JTAG(邊界掃描方式)，使用單片機對FPGA進行配置主要是采用單片機來模擬PS方式的時序，以實現FPGA器件的配置。

被動串行方式的工作過程如下：配置時需要五個引腳，其中nCONFIG、DCLK、DATA0為單片機的輸出引腳，nSTATUS、CONF_DONE為單片機的輸入引腳。系統上電后，由單片機使nCONFIG上產生一個大于8μs的負脈沖，FPGA檢測到nCONFIG的下降沿后將啟動配置過程，nSTATUS和CONF_DONE隨之拉低。nCONFIG抬高1μs內，nSTATUS抬高，配置數據從DATA0上由低位到高位依次送出，當所有配置數據全部送出后，CONF_DONE被抬高，當MCU檢測到這一變化后即結束配置過程。隨后，DCLK必須再提供幾個周期的時鐘(對于FLEX10K需要10個周期)以供FPGA正確完成初始化，進入用戶模式。若配置過程出錯，nSTATUS將被拉低，MCU重新啟動配置過程。其配置時序如圖2所示。

圖2 被動串行配置時序圖