精簡的FPGA編程方法

作者：寶山鋼鐵股份有限公司技術中心方志宏華東理工大學趙書利時間：2002-12-05 來源：電子設計應用

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引言
便攜式、小型的儀表和設備是一個非常重要的應用領域，在未來一段時間內會有比較大的市場。而FPGA等現場可編程器件也是正在興起與普及的一種器件，把FPGA更好地運用到上述儀表和設備中，可以減少這些儀器、設備的開發周期，大幅度提升這些儀器的性能，減少總成本和體積等。
在許多應用場合，如大型設備中的板卡，比較適合采用標準的FPGA編程電路。但是對于便攜式設備的應用場合，采用標準電路聯系FPGA與CPU需要消耗的資源太多。許多DSP芯片只有2個通用I/O引腳，所以如果能只使用1~2個引腳就完成FPGA編程功能，意義將非常重大。
本文提出一種精簡的FPGA的編程電路，它只占用控制器的1~2條I/O控制線，其成本和功耗很低，很適合大規模地在便攜式小型儀表產品中應用。
標準的FPGA編程電路
以Xilinx的Spartan系列FPGA為例，圖1是一個標準的編程電路。電路中控制器使用了4條控制信號線PROG，CLK，Data，DONE。首先Prog信號控制FPGA的初始化，一個Prog信號的低電平使FPGA進入編程狀態，在編程過程及以后的運行過程中，Prog信號保持高電平；在編程過程中，Data信號與CLK信號配合，在每個Clk信號的上升沿，FPGA鎖定/讀取一個Data信號，如此循環，直到控制器將需要編程的程序全部送到FPGA中；當FPGA正確接收到編程程序以后，就會產生一個DONE信號，通知控制器一切完畢。
該電路是Xilinx公司推薦的一個FPGA的標準電路，對于許多常規應用場合，它還是比較合適的，但是對于手持式儀表等尺寸非常小的設備，由于控制器本身只有1~2個I/O控制線，而上述標準電路占用4個I/O口，就有可能無法應用。

精簡的FPGA編程方法
本文給出了一種精簡的FPGA編程電路如圖2所示。控制器的I/O控制信號線包括P/C和Data。P/C控制信號產生圖2中所示的波形，經過Prog解碼電路(如圖4所示)得到Prog信號，經過CLK解碼電路(在本例中也可以不經過)，得到CLK信號，它們與Data一起組成完整的FPGA控制信號，完成對FPGA的編程控制。
該電路只使用2根I/O控制信號線，比標準編程電路要少，利用特殊控制信號的編碼與解碼，得到完成FPGA的編程工作。
更進一步，也可以只使用一個I/O控制信號線，如圖3所示，使用Prog解碼電路(如圖4所示)、CLK解碼電路和Data解碼電路(如圖5所示)，得到FPGA編程所必須的Prog信號、CLK信號和Data信號。該方法比圖2所示的電路所需要的控制線還要少。
本方法利用比標準FPGA編程電路更少的I/O控制線，經過解碼電路的解碼得到FPGA編程所需要的控制信號。對于不同公司的產品，本方法只要稍加變動就可以使用。

應用案例
以Xilinx的Spartan II系列產品為例，圖4為Prog控制信號解碼電路，圖5為Data信號解碼電路。不妨假定CLK信號的周期為Tclk，Prog解碼電路中的時間常數為tProg=R1*C1，Data解碼電路的時間常數為tData=R2*C2。
Prog控制信號解碼電路的原理： P/C信號或P/C/D信號由Prog編碼和CLK(Data)編碼組成，其中Prog編碼是一個周期比較長的高電平,見圖4的t2-t0，它大于Prog解碼電路的時間常數tProg，CLK(Data)編碼是周期比較短的脈沖，小于解碼電路的時間常數tProg，所以Prog信號可以被解碼得到，而其他不相關信號則被過濾掉。一般可以選擇Prog編碼周期t2-t0>5tProg，而CLK(Data)編碼周期t3-t2<1/5tProg。當FPGA編程結束以后，P/C信號，或者P/C/D信號應當立即復位，否則Prog會出現錯誤。
Data解碼電路的原理可以分成Data=0和Data=1兩種情況：
Data=0時，當P/C/D信號的前一個數據的上升沿t5結束，并保持一段時間，到達t6后，繼續保持高電平，經過大約tData(與先前狀態有關)，Data控制信號線就會出現低電平，即信號0，為了更加可靠，可以等一段時間，到達時刻t9時P/C/D信號再給出一個負脈沖用于鎖定數據。當然負脈沖的寬度應當比較窄，否則Data信號會反轉，通常負脈沖寬度t10-t9<1/4tCLK。
Data=1時，當P/C/D信號的前一個數據的上升沿t5結束，并保持一段時間，到達t6后，立即進入低電平，經過大約tData(與先前狀態有關)，Data控制信號線就會出現高電平，即信號1，為了更加可靠，可以等一段時間，到達時刻t10時，P/C/D信號再給出一個上升沿用于鎖定數據。
這樣Data信號也可以被正確地解碼出來。在本例中CLK信號無須專門的解碼電路，P/C/D信號可以直接作為CLK控制信號使用。
本方法經過實驗驗證，其中R1=10KW，C1=0.1mF, R2=1KW， C2=0.01mF，D1為1N5817，U1/U2為74HC14。當然也可以根據需要進行調整。

結語
FPGA是一種功能非常強大，非常靈活的器件，正在向各種中、高檔的應用普及，采用本文提出的精簡FPGA編程方法，節省了控制器的I/O線，克服了FPGA在便攜式設備中應用的一個瓶頸。文中給出了其基本原理并通過了實驗，具有一定的使用價值。■

參考文獻：
1 Mohan; Sundararajarao (Cupertino, CA)，On-chip self-modification for PLDs . United States Patent 6,255,849 ，July 3, 2001.
2 Tan; Charles M. C. (Santa Clara, CA)，Programmable gate array configuration memory which allows sharing with user memory ，United States Patent5,737,766，1998年4月7日.

圖1 通常的FPGA下載電路

圖2 精簡的FPGA下載電路之一

圖3 精簡的FPGA下載電路之二

圖4 Prog解碼電路

圖5 Data解碼電路