基于Flash和JTAG接口的FPGA多配置系統

　　3　方案的設計實現

　　本方案的所有控制邏輯設計用一片Xilinx Spartan II系列XC2S200型FPGA器件實現。采用Spansion公司的NOR Flash存儲器來存放配置文件，其型號為S29GL512N，容量為512 Mb。系統總體框圖如圖3所示。上位機軟件包括Flash燒寫工具和串口工具。燒寫配置文件時，Flash燒寫工具通過JTAG下載線向控制FPGA傳輸JTAG指令及配置碼流，同時串口工具通過串口向控制FPGA發送配置文件地址，完成配置文件存放區間的切換;配置FPGA時，串口工具通過串口向控制FPGA發送配置文件地址及重配置信號，完成配置文件的切換。若實際應用中配置文件過多，還可組成Flash存儲器陣列來增加存儲深度。

　　圖3　系統總體框圖

　　3.1　設計的FPGA實現

　　控制FPGA實現的邏輯控制功能包括與上位機軟件iMPACT和串口工具通信、燒寫Flash以及配置FPGA器件。基于模塊化的設計思想將具體功能分解成多個模塊，如圖3所示，數據與地址通道上的下標為其通道寬度。各模塊作用如下：

　　① RS232接口模塊接收來自串口工具的配置文件地址及重配置信號，配置文件地址譯碼后得到對Flash存儲器進行各種操作時的起始地址，重配置信號則用來觸發FPGA配置文件的切換。

　　② JTAG模塊包括JTAG接口模塊、數據緩存模塊及燒寫控制模塊。JTAG接口接收JTAG下載線上的JTAG指令和數據后，若為FERASE或FPGM指令則向燒寫控制模塊發送擦除或燒寫信號，若為FDATA0指令則接收TDI上的串行數據并存入數據緩存模塊中。數據緩存模塊利用片內BRAM來實現，可存放一幀配置碼流。燒寫控制模塊接收到擦除信號后，產生擦除命令和操作地址并發往狀態選擇模塊;接收到燒寫信號后，從數據緩存模塊讀取配置碼流，產生的寫命令、操作地址發往狀態選擇模塊，操作數據則直接發往Flash控制器。

　　③ FPGA配置模塊接收到來自RS232接口模塊的起始地址和重配置信號后，先向待配FPGA器件發送初始化信號，等待初始化完成后向狀態選擇模塊連續發送讀命令和操作地址，并利用從Flash控制器返回的配置碼流來配置FPGA器件。

　　④ 狀態選擇模塊根據外部的燒寫/配置信號選擇Flash控制器的輸入，從而決定控制FPGA目前處于燒寫Flash存儲器狀態還是配置FPGA器件狀態。若為“0”，則輸入燒寫控制模塊產生的命令和地址，控制FPGA處于燒寫Flash存儲器狀態;若為“1”，則輸入配置控制模塊產生的命令和地址，控制FPGA處于配置FPGA器件狀態。

　　Flash控制器響應這些輸入的命令、操作地址和數據，產生與命令相對應的Flash存儲器控制時序，并返回Flash存儲器的數據輸出。

　　3.2　性能實際測試

　　本方案處于編程模式時，系統能夠通過JTAG接口和串口與上位機軟件進行正常的通信，在加載合適的配置文件后，可以完成Flash存儲器的擦除和燒寫操作，實測燒寫速度為160 Kb。需要燒寫多個配置文件時，通過串口工具發送配置文件地址，即可對不同的Flash空間進行操作。

　　處于配置模式時，以Virtex系列中XCV1000型FPGA為配置對象，其配置文件大小約為5.84 Mb，實測一次配置時間為60 ms，計算得知配置速度約為97 Mb/s，遠大于System ACE解決方案的30 Mb/s。如需切換不同的配置文件，從串口工具發送配置文件地址及重配置信號，即可實現多個配置文件的實時切換。

　　結語

　　本文分析了各種傳輸協議接口以及System ACE多配置解決方案的優缺點，根據實際應用需求，提出了一種基于大容量NOR Flash并利用JTAG接口完成配置碼流下載的FPGA多配置系統解決方案。本系統采用Flash存儲器替代配置用PROM或CF卡，節省了硬件成本和空間，且理論上可以支持不限數量的配置文件切換，對FPGA的配置速度也達到了System ACE方案的3倍以上。