第11讲FPGA配置与边界w2010.ppt

Altera公司的PLD器件综述,PLD器件 MAXII 主流FPGA产品 Cyclone（飓风） CycloneII Stratix FPGA配置芯片 配置EEPROM Cyclone专用配置器件 早期器件，大部分已经停产,配置EEPROM,用于配置SRAM工艺FPGA的EEPROM， EPC2以上的芯片可以用电缆多次擦写 型号表 EPC2 EPC1 EPC1441 EPC1213 EPC1064 EPC1064V,Cyclone专用配置器件,专门用于配置Cyclone器件的EEPROM， 可以用ByteblasterII在线改写， 电压为3.3v 型号表 EPCS1 EPCS4 (AS mode configuration),PLD器件的配置与编程,何谓配置和编程？ 将VHDL代码形成的文件写入PLD器件的过程 配置（configure）和编程(program)的区别 Program：对flash或者EEPROM工艺的配置芯片或者PLD器件进行写入的过程 Configure：对SDRAM工艺的FPGA写入数据必须每次上电后均要进行一次，编程文件保存在配置芯片中，上电时从编程芯片下载到FPGA中,Altera的CPLD和FPGA的 配置编程过程,CPLD器件可独立使用，无需其他编程芯片，直接通过JTAG接口或其他接口进行编程 FPGA器件不能独立使用（调试时可以），需要和配置芯片一起使用，在生产时，代码写入配置芯片中，应用时，加电后代码自动从配置芯片写入FPGA中,PLD器件的2种配置方法,通过专用编程器配置,通过PC机配置,通过专用编程器配置,MAX7128的配置电路,MAX 7000S devices are in-system programmable via an industry-standard 4-pin Joint Test Action Group (JTAG) interface (IEEE Std. 1149.1-1990). The ISP circuitry in MAX 7000S devices is compatible with IEEE Std. 1532 specification. The IEEE Std. 1532 is a standard developed to allow concurrent ISP between multiple PLD vendors. 电路图,MAX7128的配置电路图,多片MAX7128的配置电路图,Altera公司的FPGA的配置,共有7种模式： Passive Serial (PS) Active Serial (AS) Passive Parallel Synchronous (PPS) Fast Passive Parallel (FPP) Passive Parallel Asynchronous (PPA) Passive Serial Asynchronous (PSA) Joint Test Action Group (JTAG) JTAG模式 可通过FGPA的MSEL0,MSEL1引脚选择,被动/主动 串行/并行 异步/同步 ？,有关配置的术语,被动/主动 是指FPGA的配置过程是FPGA发起 还是配置器件（主 机host）发起，如是FPGA器件发起配置，则为主动， 否则为被动 串行/并行 配置数据通过一根数据线传送道到FPGA中为串行，并 行配置一般有8根数据线，速度更快 异步/同步 异步配置，没有时钟信号线，同步配置有时钟信号线,Passive Serial (PS) 被动串行,可通过一下2种方式配置： the enhanced configuration devices EPC16, EPC8, and EPC4), EPC2, EPC1, EPC1441 serial synchronous microprocessor interface： USB Blaster USB Port Download Cable, MasterBlasterTM communications cable, ByteBlasterTM II parallel download cable ByteBlasterMVTM parallel port download cable.,Active Serial (AS) 主动串行,Configuration with the serial configuration devices (EPCS1 and EPCS4). 用于Cyclone系列器件的配置 必须使用ByteBlaster II电缆,Passive Parallel Synchronous (PPS) 被动并行同步,Configuration with a parallel synchronous microprocessor interface. 用于 微处理器对 FPGA进行配置，配置为并行传输，同步,Fast Passive Parallel (FPP) 快速被动并行,Configuration with an enhanced configuration device or parallel synchronous microprocessor interface where 8 bits of configuration data are loaded on every clock cycle. Eight times faster than PPS. 比PPS模式快8倍的配置模式，其他同PPS,Passive Parallel Asynchronous (PPA)被动并行异步,Configuration with a parallel asynchronous microprocessor interface. In this scheme, the microprocessor treats the target device as memory. 用于微处器配置电路,Passive Serial Asynchronous (PSA)被动串行异步,Configuration with a serial asynchronous microprocessor interface. 用于微处器配置电路，串行线路,Joint Test Action Group (JTAG) JTAG模式,Configuration through the IEEE Std. 1149.1 (JTAG) pins. (1) 使用JTAG接口配置， 调试时最常用的配置方式,FPGA配置电路图：Cyclone器件,多个Cyclone器件配置,调试时的Cyclone器件配置,配置电路的设计问题,选择合适的配置模式（PS,JTAG,AS等） 根据FPGA类型，并考虑 调试和运行 2种状态的配置模式 选择配置器件（EPC2,EPS1，MCU等） 根据器件，FPGA类型，芯片的价格等 选择一种编程电缆，可自行制作配置电缆电路 根据FPGA类型，一般按： ByteBlaster II ByteBlaster MV ByteBlaster 的顺序选择。,ByteBlaster II编程 电缆电路,ByteBlaster II的10 PIN 插头定义,ByteBlaster MV 编程电缆电路,ByteBlaster MV的10 PIN 插头定义,ByteBlaster 编程电缆电路,ByteBlaster 的10 PIN 插头定义,PLD器件中的JTAG技术和ISP技术,何为JTAG？ 何为ISP？,JTAG：起源,随着IC技术的发展，PCB越来越复杂，尤其是SMD器件(surfacemount packaging device) 的大量使用，PCB面积越越小。 传统测试方法 难以使用 external test probes（外部测试探针） “bed-of-nails” test fixtures（针床测试设备） 1980年，JTAG（the Joint Test Action Group）组织提出了一种新的测试方案,JTAG：结构,定义了一种 boundary-scan testing 方法，在IC芯片中增加实现这种测试的电路。 该方法后来成为IEEE1149.1标准 图示：,边界扫描数据移位方式,JTAG接口的信号定义,JTAG：功能,有3个功能： 内部测试一IC内部的逻辑测试 外部测试一IC间相互连接的测试（PCB线路测试） 取样测试一IC正常运行时的数据取样测试 现在，JTAG电路和接口被广泛用于芯片的代码下载, 请看电路图,FLEX 10K等器件的JTAG电路,JTAG BST系统与与FLEX器件关联结构图,JTAG BST选择命令模式时序,TAP控制器的命令模式有：,SAMPLEPRELOAD指令模式,EXTEST指令模式,BYPASS指令模式,IDCODE指令模式,USERCODE指令模式,JTAG:更多内容,参见文献： IEEE 1149.1 (JTAG) Boundary-ScanTesting in Altera Devices September 2000, ver. 4.05 Application Note 39 相关器件的datasheet,The end.,MAXII,返回,Cyclone（飓风）：,返回,Cyclone II：,返回,Stratix ：,返回,StratixII:,返回,配置EEPROM,返回,Cyclone专用配置器件,返回,关于Lattice公司,Lattice（中文名：莱迪思）是ISP（在线可编程）技术的发明者，ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，80年代和90年代初是其黄金时期。 Lattice中小规模PLD/FPGA比较有特色，种类齐全，性能不错。 99年Lattice收购Vantis（原AMD子公司）,2001年收购Lucent微电子的FPGA部门，是世界第三大可编程逻辑器件供应商。 目前Lattice公司在上海设有研发部门。,返回,CPLD的编程方案,PC机,JTAG编程端口,CPLD,PC机,isp编程端口,CPLD,编程适配电路,编程适配电路,JTAG编程信号：TCK、TDO、TMS、TDI,ISP功能提高设计和应用的灵活性,减少对器件的触摸和损伤 不计较器件的封装形式,允许一般的存储 样机制造方便 支持生产和测试流程中的修改,允许现场硬件升级 迅速方便地提升功能,未编程前先焊接安装,系统内编程-ISP,在系统现场重编程修改,此接口既可作编 程下载口，也可作 JTAG接口,ALTERA 的 ByteBlaster（MV）下载接口,3.7.1 CPLD的JTAG方式编程,图3-47 CPLD编程下载连接图,TCK、TDO、TMS、TDI为CPLD的JTAG口,对CPLD编程,图3-48 多CPLD芯片ISP编程连接方式,3.7.1 CPLD的ISP方式编程,FPGA的配置方案,FPGA的3种常用的 标准下载配置模式,1、Passive Serial Mode,3、JTAG Mode,2、Active Serial Mode,FPGA配置,JTAG配置端口,FPGA,PS配置端口,PC机,配置适配电路,配置器件 或配置电路,AS配置端口,专用FLASH 配置器件,FLEX、ACEX、APEX等系列 FPGA器件配置连线图,FLEX、ACEX、APEX系列FPGA 配置电路,FPGA Passive Serial Configuration 被动串行配置模式,10针标准 配置/下载接口,通过配置电路后 与PC机的并行 接口相接,对FPGA配置,方案1:PS端口直接配置,主系统通用 10针标准 配置/下载接口,目标板10针标准 配置接口,PIN1,OTP配置器件插座,多FPGA芯片配置电路,3.7.2 使用PC并行口配置FPGA,OTP配置器件： EPC1441、EPC1、EPC1213等,方案2:PS端口OTP专用器件配置,缺点： 1、芯片价格高。 2、只能一次编程。 3、可配置的FPGA规模小，不能用于SOPC系统配置。 4、无法用于实时多任务重配置,选择Global Project Device项,编译前选择配置器件,注意，被编译文件的工程名为“DAC”， 因此，其配置文件名应该为“ DAC . POF ”,对于低芯核电压FPGA （如EP1K30），需选择此 项，电路中的配置芯片 应该接3.3V工作电压。,选择配置芯片的型号为EPC1PC8,选择PS模式,编 译！,选择配置器件生产商,打开通用编程器编程窗,选择器件类型,选择器件型号,器件接插方式,进入工程文件夹， 选择编程文件,选择编程文件,双击编程文件后，进入“File type” 窗，选择文件类型为“POF”： Programming Output File,编程缓冲器中的 DAC.POF文件码,注意文件芯片 型号是否对！,打开编程窗口,编程窗,开始编程,将编程完毕的配置 器件插在相应的 电路系统上,3.7.4 用专用配置器件配置FPGA,图3-53 EPC2配置FPGA的电路原理图,EPC2可以多次重复编 程，且是isp方式编程,外部上拉电阻 1K X 5,DCLK nCS nINIT_CONF OE DATA,PC机,FPGA,EPC2配置芯片,配置电路 和JTAG编 程端口,DCLK CONF_DONE nCONFIG nSTATUS DATA0,TCK TMS TDO TDI,TCK TMS TDO TDI,配置,编程,利用FLASH结构的EPC2为FPGA作配置,方案3:PS端口E平方专用器件配置,缺点： 1、芯片价格高。 2、可多次编程次数少。 3、无法用于实时多任务重配置,如果没有使用 外部上拉电阻， 则必须选择此项,选择配置器件 型号：EPC2LC20,编 译！,编程前，首先 打开编程器窗口,然后用鼠标 双击此文件名,于是弹出编程 文件选择窗,双击此编程 文件名：DAC .POF,这是对FPGA 的配置文件,对EPC2编程文件名,编程器件名,开始编程,EPC2器件,EPC2的编程口,方案4:AS端口FLASH专用器件配置,PC机,Cyclone系列 FPGA,EPCSX配置芯片,ByteBlasterII 配置电路,配置,编程,AS配置端口,ByteBlaster(MV)配置电路 ByteBlasterII配置电路,POF硬件购建配置文件,Nios工作软件,Nios嵌入式系统,缺点： 1、只适合于Cyclone系列器件 2、无法用于实时多任务重配置,FPGA,普通单片机,EPROM或 串行E平方ROM,PS配置端口 DCLK CONF_DONE nCONFIG nSTATUS DATA0,方案5:PS端口单片机软件方式配置,单片机I/O端口,单片机软件配置方案缺点： 1、配置过程中易受干扰，可靠性低，不能用于可靠性要求高的领域。 2、配置速度慢，不能用于反应速度要求高的领域。 3、可配置的FPGA规模小，无法用于大于10K30乃至SOPC领域的器件配置。 4、电路面积比较大 5、实验模式不规范,单片机产生配置时序、读 取EPROM中的配置数据,EPROM中 放置多个不 同功能的配 置文件,对FPGA进行配置,3.7.4 使用单片机配置FPGA,MCU用PPS模式配置FPGA电路,用89C52进行配置,各种规模的 FPGA,ASIC/CPLD,大容量EPROM,PS配置端口 DCLK CONF_DONE nCONFIG nSTATUS DATA0,方案6:PS端口ASIC/CPLD硬件高速配置方案,I/O端口,缺点： 1、电路面积比较大,PC机选择JTAG下载模式,GWAK30Z型适配板,掉电配置选择PS下载模式,掉电保护配置复位,40MHz配置时钟源,掉电保护配置器件,配置文件ROM,配置成功指示,FPGA的配置和重配置 （RECONFIGURATION）,PC机,FPGA,应用电路系统,CPU/CPLD,大容量ROM/EPROM/ FLASH芯片,FPGA,应用电路系统,CPU/CPLD,RAM,方案1,方案2,1、通用编程器 2、通用仿真器 3、虚拟仪表 ,通过EDA工具中的LPM模块调用 如LPM_ROM，LPM_FIFO等,FPGA中的硬件EAB/ESB,硬核IP或嵌入式硬件模块（如EAB）调用图示,通过LPM编辑器或直接编辑设计（调用），以及参数设定LPM模块的相关底层文件（或元件）,顶层系统调用,产生HARDCOPY文件,ASIC无缝转化,ALTERA HARDCOPY ASIC设计流程,FPGA硬件系统测试仿真,ASIC顶层设计,STRATIX系列FPGA,规范的配置方案,JTAG端口,FPGA,PS配置端口,PC机,配置适配电路,配置器件 或配置电路,FPGA,PS配置端口,PC机,配置适配电路,配置器件 或配置电路,不规范的配置方案,