FPGA配置.ppt

1,1. FPGA配置,配置(configuration)是对FPGA的内容进行编程的过程。每次上电后都需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点，也可以说是一个缺点。FPGA配置过程如下：,外部电路将配置数据载入片内配置RAM中,外部电路,FPGA配置完成,配置 RAM,配置RAM中的配置数据： 用于控制FPGA内部可编程的内部逻辑、内部寄存器和I/O寄存器初始化，I/O驱动器使能等。之后FPGA进入用户模式。,2,1.1 FPGA配置方式 根据FPGA在配置电路中的角色，可以将配置方式分为三类： 1.FPGA主动串行(AS-Active Serial)方式 2. JTAG方式 3. FPGA被动(Passive)方式,配置数据,FPGA主动串行(AS)方式,1,下载工具 或 智能主机,JTAG方式,2,FPGA仅输出响应信号,FPGA被动(Passive)方式,3,3,主动（AS）方式,被动（PS）方式,被动（PS）方式,JTAG方式,4,Altera FPGA配置方式列表,Cyclone FPGA配置方式表,5,1.2 FPGA配置过程 FPGA的配置包括3各阶段：复位、配置和初始化。,复位,配置,初始化,进入 用户模式,配置过程波形图,6,Power-Up Sequence,time,volts,Power-off,Power-Up,Power-On,Device Power Sequence,POR,Configuration,Power supply ramp time, TRAMP,Device Mode,User- Mode,POR: Power-On Reset,7,2. Cyclone及Cyclone II FPGA配置,Cyclone 以及Cyclone IIFPGA使用SRAM单元来存储配置数据。FPGA中的SRAM是易失性的，每次上电之前，配置数据(或压缩的配置数据)必须重新下载到FPGA中。下面的2个条件均可使FPGA产生一次配置请求： 给FPGA重新上电； FPGA的nConfig引脚上产生一个低电平到高电平的上升沿。,8,Cyclone及Cyclone II FPGA的配置方式包括： FPGA主动串行(AS)配置方式； FPGA被动(Passive)配置方式 ； JTAG配置方式 。 用户可以通过设置FPGA上的MSEL0、MESL1两个引脚的状态来选择配置方式。各种方式的MSEL0、MESL1设置如下表所列：,9,配置方式设置,说明： 在上表中，如果只采用一种配置方式，则可以直接将MSEL0、MESL1连接到VCC（注意要与FPGA的IO口的供电VCCIO相同）或GND； 如果需要多种配置方式，那么MSEL要用控制器（单片机、CPLD等）来控制以进行切换； MSEL管脚在配置开始前必须处于一个固定的状态，因此不能将MSEL管脚悬空。,10,另外，不同型号FPGA的配置文件大小不同，下表中列出了FPGA在不压缩情况下二进制配置文件(.rbf)的最大大小。设计者可以根据配置文件的大小来选择合适的配置器件和其它存储器。并可使用压缩功能，来减小配置文件的大小。,11,2.1 主动串行配置 主动串行配置方式(AS)是将配置数据事先存储在串行配置器件EPCS中,然后在系统上电时Cyclone及Cyclone II FPGA通过串行接口读取配置数据（如果是压缩数据，还会进行解压缩处理）对内部的SRAM单元进行配置。因为上述配置过程中FPGA控制配置接口，因此通常称为主动配置方式。,12,说明： 因为FPGA上的nSTATUS、CONFIG_DONE管脚都是开漏结构，所以都要接上拉电阻。FPGA的片选脚nCE必须接地。,主动串行配置的电路原理图,13,Multi-Device AS Configurations,VCC,VCC,VCC,14,串行时钟(DCLK)在配置结束后内部振荡器关闭。下表列出了DCLK的输出频率。对于Cyclone II FPGA，通过MSEL可以选择时钟为20MHz或40MHz。 配置的时间与配置文件大小以及DCLK的频率有关，关于AS方式配置时间的估算请见下一小节。,15,用户可以在QuartusII软件中选择，用哪一个时钟来进行FPGA寄存器和用户I/O口的初始化、以及是否在配置出错后重新开始配置等内容。如下图所示的弹出窗口：,功能复用引脚设置,16,2.2 主动串行配置(AS)的配置时间估算 主动串行配置时间为串行配置器件数据传送到FPGA的时间，这取决于DCLK的频率以及配置文件的大小。 以Cyclone EP1C6器件为例，非压缩的.rbf格式配置文件的大小为1167216位、DCLK最低频率为14MHz(71ns)，则最大配置时间为： 1167216*71ns82872336ns83ms 当DCLK的典型频率为17MHz(59ns)时，配置时间为： 1167216*59ns=68865744ns 69ms,17,如果允许配置数据压缩，由于配置时要对数据进行解压缩，需要增加配置时间，一般要增加50的配置时间，即EP1C6器件在采用压缩数据进行配置时需要约103.5ms的时间。 此外，在配置完成后紧接着的FPGA寄存器和用户I/O口初始化也需要消耗一定的时间（Cyclone为136个时钟周期，Cyclone II为299个时钟周期），当不采用CLKUSR管脚时钟，而使用FPGA内部10MHz时钟时，Cyclone EP1C6消耗13.6us的初始化时间。,18,2.3 JTAG配置 通过JTAG接口，利用Quartus II软件可以直接对FPGA进行单独的硬件重新配置。Quartus II软件在编译时会自动生成用于JTAG配置的.sof文件。 如果同时使用AS方式和JTAG方式来配置FPGA，JTAG配置方式拥有最高的优先级，此时AS方式将停止，而执行JTAG方式配置。,JTAG配置的电路原理图,19,JTAG Configuration of Multiple Devices,20,利用Quartus II软件和USB Blaster、ByteBlaster II等下载电缆可下载配置数据到FPGA。Quartus II软件可以验证JTAG配置是否成功。 JTAG配置通过下载电缆使用SOF、Jam或者JBC文件直接对FPGA进行配置，这种配置方式只能用于调试阶段，因为，掉电后FPGA中的配置数据将丢失。,JTAG各引脚功能描述,21,Altera FPGA的配置芯片可以分为3类： 增强型配置器件：EPC16、EPC8、EPC4； 主动串行配置器件：EPCS64、EPCS16、EPCS4和EPCS1； 普通配置器件：EPC2、EPC1、EPC1441。,3. 配置芯片,各配置芯片的属性如下表所示：,22,EPC Devices Capacities and Features,23,EPCS Devices Capacities and Features,24,or,=,Choosing a Configuration Device (1/2),25,Choosing a Configuration Device (2/2),26,4. 配置的软件设置,在Quartus II软件中，可以设置配置方式和配置芯片。,配置选项卡,27,配置方式(AS、PS)选择,配置模式(本地或远程) 选择,配置器件 (EPCS系列、EPC系列),压缩,配置选项卡,28,【General】选项卡，用于配置的通用选项。,29,5. 配置文件的压缩 Quartus II 为Cyclone、Cyclone II以及StratixII提供了配置数据可压缩特性，用户可以为FPGA选择容量较小的EPCS器件，以节省成本。ALTERA给出对配置数据的压缩率可达到35到60%。 当在Quartus II软件中使能压缩特性时，软件自动采用压缩配置数据来生成POF配置文件。通过压缩后的配置文件减小了对配置器件或Flash的存储空间需求。,30,有两种方法来使用压缩特性： 在用户设计编译前，可在编译设置菜单中来选择压缩特性； 在用户设计编译后，可利用File菜单中的文件转换器Convet Programming Files进行压缩。 通过文件转换可利用SOF文件生成各种格式的压缩文件。,方法一：编译前选择压缩特性,方法二：用文件转换器进行压缩,31,6. 配置可靠性及电路设计注意事项,6.1 配置的可靠性 Altera的FPGA结构中设计了一些保护电路来减小电源上电和数据噪声的影响，使基于SRAM工艺的FPGA可靠性大大提高。为了提高可靠性主要采取了以下几个方面： 1在配置过程中，采用CRC电路对输入到FPGA中的每一帧配置数据进行校验，确保配置数据的正确性； 2Altera FPGA提供了保护电路，要求在系统掉电后重新配置，以保证FPGA在系统掉电时的高可靠性。,32,6.2 电路设计注意事项 在配置电路设计时，通常应该注意下面几点： 1在设计DCLK和TCK时，要将其当作高速的时钟信号来处理； 2在有多片FPGA配置链中，一般建议将各片FPGA的DCLK、DATA0(DATA7.0、nCONFIG、nSTATUS、和CONF_DONE信号连在一起。这样可以确保各FPGA配置同时开始和结束； 3确保FPGA配置管脚的电平和配置器件的电平兼容； 4确保所有配置管脚按照FPGA的数据手册进行连接。,33,7. 下载配置文件到FPGA,要使用JTAG下载配置数据到FPGA，首先要生成可用于JTAG下载的配置数据文件，这些配置数据文件包括：.sof、.Jam以及.JBC。一般来说，JTAG方式利用SOF文件即可，JAM和JBC可以不用。 利用JATG接口下载配置数据到FPGA的过程，如下：,34,JTAG下载配置数据过程,35,JTAG下载配置数据过程,36,8.下载配置文件到EPCS 利用ByteBlasterII(或USB_Blaster)、AS接口、.pof配置文件以及QuartusII的Programmer可直接对EPCS进行编程，这种方式速度快，但需要专门的AS接口。下载过程如下：,编译前指定AS方式和EPCS类型,37,EPCS的AS编程,38,