基于CPLD的FPGA从并快速加载方案

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[导读] 现场可编程门阵列（FPGA）作为专用集成电路（ASIC）领域的一种半定制电路，可以根据设计的需要灵活实现各种接口或者总线的输出，在设备端的通信产品中已得到越来越广泛的使用。
关键词：Xilinx控制器CPLDFPGA

　　现场可编程门阵列（FPGA）作为专用集成电路（ASIC）领域的一种半定制电路，可以根据设计的需要灵活实现各种接口或者总线的输出，在设备端的通信产品中已得到越来越广泛的使用。FPGA 是基于静态随机存储器（SRAM）结构的，断电后程序丢失后的每次上电都需要重新加载程序。且随着FPGA 规模的升级，加载程序的容量也越来越大，如Xilinx 公司的Spartan - 6 系列中的6SLX150T，其加载容量最大可以达到4.125 MB.在通信产品中，要求系统启动快，相应FPGA 加载时间尽可能短，因此其加载方式是产品设计时必须要妥善解决的一个问题。文章介绍了通过复杂可编程逻辑器件（CPLD）对FPGA 加载方式的并行实现，满足通信系统的加载速度快、占用资源少的要求。
　　1 FPGA 常用配置方式
　　FPGA 的配置数据通常存放在系统中的存储器件中，上电后控制器读取存储器中的bit 文件并加载到FPGA 中，配置方式有JTAG、从并、从串、主从4 种，不同厂家叫法不同，但实现方式基本都是一样的。
　　（1）边界扫描JTAG 方式。单板调试阶段常用JTAG 模式，该方式需要控制器，FPGA 等芯片JTAG 接口构成菊花链，且在该模式下，控制器其他功能不能使用。
　　（2）从串方式。从串加载方式占用资源少，主要是和FPGA 相连的I/O接口较少，但是一个配置时钟只能传输一个bit 数据，速度相对较低。
　　（3）主从方式。该方式最主要的缺点是配套使用的FLASH 存储器必须是FPGA 厂家指定的型号，且这个FLASH 容量不大，不能和控制器的FLASH 共用，使用这种方式，单板上就会有两个FLASH，增加产品成本，因此该方案使用较少。
　　（4）从并方式。即文章中探讨的FPGA 加载方案。
　　2 从并加载方式的实现
　　以Xilinx 公司Spartan - 6 系列FPGA 为例，与从并加载相关的管脚如表1 所示。

　　

　　表1 从并加载管脚名称

　　由表1 可以看出，从并加载接口占用的管脚资源是比较多的，即使加载数据总线使用8 位，也要14 个管脚，CPU 一般没有这么多通用输入/输出（GPIO）口，因此从并加载一般和CPLD 配套使用。其加载流程如图1所示。

　　

　　图1 SPARTAN-6 从并加载流程

　　3 基于CPLD 的FPGA 加载方案
　　3.1 方案介绍
　　在设备端通信产品中，基于CPLD 的FPGA 从并加载框如图2 所示，配置数据存储在FLASH 中，且在加载数据之前，CPU 通过局部总线和双倍速内存（DDR）接口，将配置数据从FLASH 中搬移到DDR 颗粒；真正需要加载时，再通过DDR2 接口将配置数据搬移到CPU 的缓存中，DDR2接口速度很快，其时钟频率可以达到266 MHz，因此①、②两步加载时间可以忽略不计。

　　

　　图2 基于CPLD 的FPGA 从并加载框

　　之后CPU 通过和CPLD 的接口③--8 位的局部总线接口，将配置数据逐字节的写入CPLD 的寄存器中。以MIPS 系列CPU XLS408 为例，XLS408 工作时钟频率为66.7 MHz，写总线周期最快需要10 个工作时钟周期，即6.67 MHz，这一步受局部总线速度限制。
　　数据写入到CPLD 后，再通过接口④ --CPLD 与FPGA 之间的从并接口，将数据加载到FPGA，从并接口是同步总线，加载时间受限于总线时钟CCLK 频率。
　　本方案的优点为：① 、② 两条路径可以在加载之前处理，且运行速度快，不占用加载时间。加载时间只受③ 、④ 的限制，而③ 受限于写总线周期间隔，④受限于从并接口的时钟。
　　3.2 程序实现
　　CPLD 从并程序采用verilog 语言实现，该加载模块接口定义如下：
　　
　　程序实现流如图3 所示。

　　

　　图3 基于CPLD 从并加载FPGA的程序流程

　　FPGA 加载片选和写信号产生部分代码如下：
　　
　　4 仿真及加载结果分析
　　基于modelsim 6.5SE 仿真波形可以看出CPU 每加载1 字节数据需要向CPLD 写1 次加载数据，这共需花费一个局部总线周期，局部总线频率最快为6.67 MHz.因此CPU 加载4.125 MB 数据到CPLD 共需时间为：
　　
　　CPLD 需要1 个CCLK 周期写1 字节数据到 FPGA，CCLK 则是利用CPU局部总线的写信号产生，可以实现CCLK 和数据的同步，因此CCLK 时钟速率为6.67 MHz，因此加载4.125 MB数据到FPGA，共需时间为：
　　
　　FPGA 上电需要1 ms，因此当FPGA 使用SPARTAN-6 系列最高端的6SLX150T 时，采用基于CPLD 的从并加载方式，共需要的加载时间为1.221 s，满足通信产品FPGA 加载时间小于2 s 的要求。而如果采用从串等加载方式，使用ARM7 处理器作为控制器，对于CycloneII 系列中的EP2C35，配置文件大小1.16 MB，加载时间需要1.30 min；采用基于CPLD的从串加载方式，加载同样4.125 MB的FPGA 数据，CPLD 加载时钟33MHz，则加载时间需要3.8 s，FPGA加载时间过长，则会影响系统的启动时间。
　　表2 是常用加载方式加载6SLX150T 型号FPGA 芯片数据所需时间比较。

　　

　　表2 FPGA 加载时间对比

　　从上述分析可以得出结论，如果提高CPU 的局部总线写速度，加载FPGA 的时间就会更快。
　　5 结束语
　　使用基于CPLD 的FPGA 从并加载方案，相对于其它几种加载方式，虽然加载管脚增多，但加载时间大大缩短，并且如果提高CPU 局部总线的写速度，加载速度有进一步提高空间，满足通信系统快速启动的要求，具有很高的实用价值。