基于单片机的FPGA并行配置方法

文章摘要： 摘要：讨论了基于SRAM技术的可编程逻辑器件FPGA的编程方式，并以ALTERA公司FLEX10K系列器件为例，提出了一种利用单片机AT89C52对FPGA进行在线PPA（被动并行异步）配置的实用方法。实践表明，用单片机对FPGA进行并行配置，具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点，该方法可以广泛地应用于不同领域。 关键词：单片机 PPA FPGA 配置在当今变化的市场环境中，产品是否便于现场升级、是否便于灵活使用，已成为产品能否进入市场的关键因素。在这种背景下，Altera公司的基于SRAM LUT结构的FPGA器件得到了广泛的应用。这类器件的配置数据存储在SRAM中。由于S

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摘要：讨论了基于SRAM技术的可编程逻辑器件FPGA的编程方式，并以ALTERA公司FLEX10K系列器件为例，提出了一种利用单片机AT89C52对FPGA进行在线PPA（被动并行异步）配置的实用方法。实践表明，用单片机对FPGA进行并行配置，具有配置时间短、准确率高、易于实现等优点，该方法可以广泛地应用于不同领域。

关键词：单片机 PPA FPGA 配置

在当今变化的市场环境中，产品是否便于现场升级、是否便于灵活使用，已成为产品能否进入市场的关键因素。在这种背景下，Altera公司的基于SRAM LUT结构的FPGA器件得到了广泛的应用。这类器件的配置数据存储在SRAM中。由于SRAM的掉电易失性，系统每次上电时，必须重新配置数据，只有在数据配置正确的情况下系统才能正常工作。这种器件的优点是可在线重新配置ICR（In-Circuit Reconfigurability），在线配置方式一般有两类：一是通过下载电费由计算机直接对其进行配置；二是通过微处理器对其进行配置。前者调试时非常方便 ，但在应用现场是很不现实的。因此，如果系统重新上电时，系统本身具有自动加载可编程逻辑器件的编程文件，完成对可编程逻辑器件的配置，就可以省去了通过手工由下载电费对器件进行配置的过程。这种自动加载配置对FPGA的某些应用来说是必需的，在笔者参与研制的一种干扰系统中，利用单片机AT89C52对FLEX10K系列FPGA中的EPF10K10进行在线并行配置，取得了良好的效果。

1 FPGA器件的配置方式和配置文件

1．1 FPGA器件的配置方式

ALTERA公司生产的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它们的配置方式可分为PS（被动串行）、PPS（被动并行同步）、PPA（被动并行异步）、PSA（被动串行异步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五种方式。这五种方式都适用于单片机配置。PS方式因电路简单，对配置时钟的要求相对较低而被广泛应用。相比而方，采用PPA配置的方案却很少见到。但由于PPA配置模式为并行配置，其配置速度快，且配置时钟由FPGA内部产生（而PS等配置模式需要外加配置时钟），故其更有利于在线实现。本文的配置方案便是采用PPA配置方式实现的。

图1

1．2 FPGA器件的配置文件

ALTERA的MAX+PLUS II开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方法的配置系统。对于不同的目标器件，配置数据的大小不同，配置文件的大小一般由.tbf文件（即二进制文件）决定。本实例中，EPF10K10的配置文件.rbf的大小为15k。该文件包括所有的配置数据，一个字节的.rbf文件有8位配置数据。由于Altera提供的软件工具不自动生成.rbf文件，故文件需按照下面的步骤生成：①在MAX+PLUS II编译状态下，选择文件菜单中的变换SRAM目标文件命令；②在变换SRAM目标文件对话框，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential)，之后予以确定。

2 硬件电路设计

AT89C52对EPF10K10并行配置的硬件电路示意图如图1所示。经MAX+PLUS II编译生成配置文件（.sof），通过格式转换成为（.rbf）文件并存储在图中所示的存储器中。当使用PPA配置方式时，需要将MSEL1和MSEL0置为高电平。为了不使DCLK出现不确定信号，必须将其经过1kΩ电阻上拉到Vcc。在采用PPA配置方式时，nCS和CS两个片选信号只需用一个。因此，如果采用其中一个作为片选信号，另一个必须直接置为有效位；如果选用CS作为片选信号控制配置，nCS必须接地；如果选用nCS作为片选信号控制配置，CS必须接高电平。本实例中采用后者。NRS为读选通输入信号，它为低输入时，FLEX10K将RDYnBSY信号置于DATA7引脚。当nRS不用时，必须将其置为高。nCE为FLEX10K器件的使能输入，nCE为低时使能配置过程。当器件是单片配置时，nCE必须始终为低。由于本实例为单片配置，故将nCE直接接地。然后将EPF10K10的nCONFIG、CONF_DONE、nSTATUS、RDYnBSY分别接到AT89C52的P17、P14、P13引脚上。DATA[7..0]接到AT89C52的P07～P00。NWs为写选通输入，由低到高跳变时锁存DATA[7..0]引脚上的字节数据。要注意的是，nSTATUS引脚和CONF_DONE引脚是双向漏极开路输出，在作输出使用时，应用经过1.0kΩ的电阻上拉到Vcc。

图2

3 软件设计

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