那些年，我们拿下了FPGA-第5章-FPGA开发流程（4） 存储器, 开发, 上电

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5.7 配置及固化好了，到了我们最后一个环节就可以完成FPGA的流程了。这一部分我们分四个小节来讲，首先是针对大家很多人不是太清楚的FPGA配置过程安排的，随后一节为了更加深理解，举了altera 的FPGA叙述配置全过程，第三小节是探讨FPGA主要的配置模式，最后一节就是正对这些配置模式展开的对比选择探讨。
5.7.1 FPGA配置过程在FPGA正常工作时，配置数据存储在SRAM中，这个SRAM单元也被称为配置存储器（configure RAM）。由于SRAM是易失性存储器，因此在FPGA上电之后，外部电路需要将配置数据重新载入到芯片内的配置RAM中。在芯片配置完成之后，内部的寄存器以及I/O管脚必须进行初始化（initialization），等到初始化完成以后，芯片才会按照用户设计的功能正常工作，即进入用户模式。
FPGA上电以后首先进入配置模式（configuration），在最后一个配置数据载入到FPGA以后，进入初始化模式（initialization），在初始化完成后进入用户模式（user-mode）。在配置模式和初始化模式下，FPGA的用户I/O处于高阻态（或内部弱上拉状态），当进入用户模式下，用户I/O就按照用户设计的功能工作。
5.7.2 举例——altera FPGA配置全过程一个器件完整的配置过程将经历复位、配置和初始化等3个过程。FPGA正常上电后，当其nCONFIG管脚被拉低时，器件处于复位状态，这时所有的配置RAM内容被清空，并且所有I/O处于高阻态，FPGA的状态管脚nSTATUS和CONFIG_DONE管脚也将输出为低。当FPGA的nCONFIG管脚上出现一个从低到高的跳变以后，配置就开始了，同时芯片还会去采样配置模式（MSEL）管脚的信号状态，决定接受何种配置模式。随之，芯片将释放漏极开路（open-drain）输出的nSTATUS管脚，使其由片外的上拉电阻拉高，这样，就表示FPGA可以接收配置数据了。在配置之前和配置过程中，FPGA的用户I/O均处于高阻态。
在接收配置数据的过程中，配置数据由DATA管脚送入，而配置时钟信号由DCLK管脚送入，配置数据在DCLK的上升沿被锁存到FPGA中，当配置数据被全部载入到FPGA中以后，FPGA上的CONF_DONE信号就会被释放，而漏极开路输出的CONF_DONE信号同样将由外部的上拉电阻拉高。因此，CONF_DONE管脚的从低到高的跳变意味着配置的完成，初始化过程的开始，而并不是芯片开始正常工作。
INIT_DONE是初始化完成的指示信号，它是FPGA中可选的信号，需要通过Quartus II工具中的设置决定是否使用该管脚。在初始化过程中，内部逻辑、内部寄存器和I/O寄存器将被初始化，I/O驱动器将被使能。当初始化完成以后，器件上漏极开始输出的INIT_DONE管脚被释放，同时被外部的上拉电阻拉高。这时，FPGA完全进入用户模式，所有的内部逻辑以及I/O都按照用户的设计运行，这时，那些FPGA配置过程中的I/O弱上拉将不复存在。不过，还有一些器件在用户模式下I/O也有可编程的弱上拉电阻。在完成配置以后，DCLK信号和DATA管脚不应该被浮空（floating）,而应该被拉成固定电平，高或低都可以。
如果需要重新配置FPGA，就需要在外部将nCONFIG重新拉低一段时间，然后再拉高。当nCONFIG被拉低吼，nSTATUS和CONF_DONE也将随即被FPGA芯片拉低，配置RAM被清，所有I/O都变成三态。当nCONFIG和nSTATUS都变为高时，重新配置就开始了。
5.7.3 配置模式       这一块分成两部分，一部分是在线调试配置，另一块是固化，即将工程配置到相应存储单元中，上电后，通过存储在存储器中的内容配置FPGA。
在线配置
       第一部分在线调试配置过程是通过JTAG模式完成的，如图XX所示，在JTAG模式中，PC和FPGA通信的时钟为JTAG接口的TCLK，数据直接从TDI进入FPGA，完成相应功能的配置。

       JTAG接口是一个业界标准接口，主要用于芯片测试等功能。FPGA基本上都可以支持JTAG命令来配置FPGA的方式，而且JTAG配置方式比其他任何方式优先级都高。JTAG接口有4个必需的信号TDI, TDO, TMS和TCK以及1个可选信号TRST构成，其中：

TDI，用于测试数据的输入；

TDO，用于测试数据的输出；

TMS，模式控制管脚，决定JTAG电路内部的TAP状态机的跳变；

TCK，测试时钟，其他信号线都必须与之同步；

TRST，可选，如果JTAG电路不用，可以讲其连到GND。

固化

       第二部分固化程序到存储器中的过程可以分为两种方式，主模式和从模式。主模式下

FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；从模式下则由外部计算机或控制器控制配置过程。主、从模式从传输数据宽度上，又分别可以分为串行和并行。

（1）、主串模式

主串模式是最简单的固化模式，如图XX所示,这个模式过程不需要为外部存储器提供一系列地址。它利用简单的脉冲信号来表明数据读取的开始，接着由FPGA提供给存储器时钟，存储器在时钟驱动下，将数据输入到FPGA Cdata_in端口。

（2）主并模式

主并模式其实和主串模式的一样机理，只不过是在主串的基础上，同周期数内传送的数据变成8位，或者更高，如图XX。这样一来，主并行相比主串行的数度要优先了。现代有些地方已采用这种方式来配置FPGA的了。

（3）从并模式

从上面看到，主模式下的连接还是很简单的。但是有时候，系统可能用其他微处理器来对FPGA进行配置。这里的微处理器可以指FPGA内嵌的处理器，比如说Nios。微处理器控制着何时配置FPGA，从哪读取配置文件。如图XX，这种方式的优点是处理器可以灵活随时变更FPGA配置，同时配置的速度也快。微处理器先从外部存储设备里读取一个字节的数，然后写到FPGA里。

（4）从串模式
理解了从并模式，从串模式就不用很多解释了，它的特点就是节约FPGA管脚I/O。
（5）多片级联
多片模式有两种，一种是采用菊花链的思想，多片FPGA共享一个存储器，另外一个是可以使用其他存储器配置不同的FPGA。如果所示是一个共享型的结构，显示启动了。这里分主FPGA和从FPGA，主FPGA和存储器是使用串行主模式来配置，而后面那个的配置是通过第一配置好的FPGA上微处理器进行协调的。



5.7.4 模式选择         现今FPGA应该可以支持上面五种配置模式，是通过3个模式引脚来实现的，具体的映射如下表，在今后模式还是有可能增加的。

模式引脚	模式
0     0     0	主串模式
0     0     1	从串模式
0     1     0	主并模式
0     1     1	主串模式
1     x     x	仅用JTAG模式

在PS模式下，如果你用电缆线配置板上的FPGA芯片,而这个FPGA芯片已经有配置芯片在板上,那你就必须隔离缆线与配置芯片的信号。一般平时调试时不会把配置芯片焊上的,这时候用缆线下载程序。只有在调试完成以后,才把程序烧在配置芯片中, 然后将芯片焊上.或者配置芯片就是可以方便取下焊上的那种。这样出了问题还可以方便地调试.。
对FPGA芯片的配置中，可以采用AS模式的方法，如果采用EPCS的芯片，通过一条下载线进行烧写的话，那么开始的"nCONFIG,nSTATUS"应该上拉，要是考虑多种配置模式，可以采用跳线设计。让配置方式在跳线中切换,上拉电阻的阻值可以采用10K一般在做FPGA实验板的时候,用AS+JTAG方式,这样可以用JTAG方式调试,而最后程序已经调试无误了后,再用AS模式把程序烧到配置芯片里去。
5.8开发工具总结在围绕图XX把FPGA开发流程讲完后，这里对每个环节中设计的相关软件进行总结，如表XX所示。毕竟充分利用各种工具的特点，进行多种EDA工具的协同设计，对FPGA的开发是非常重要的。充分利用了这些EDA工具的优点，能够提高开发效率和系统性能。

公司	软件	说明
Altera	Quartus II	集成开发环境
	SOPC Builder	嵌入式系统开发工具
	DSP Builder	数字信号处理开发软件
	SignalTap II	嵌入式逻辑分析仪
Xilinx	ISE	集成开发环境
	EDK	嵌入式系统开发工具
	System Generator	数字信号处理开发软件
	ChipScope	嵌入式逻辑分析仪
Lattice	IspLever	集成开发环境
Actel	Libero IDE	集成开发环境
Mentor Graphics	Modelsim	仿真软件
Aldec	ActiveHDL	仿真软件
Synplicity	Synplify、Synplify Pro	综合工具
Synopsys	FPGA Complier II	综合工具
其他	……	……

表中列出的每种EDA工具都有自己的特点。一般由FPGA厂商提供的集成开发环境，如Altera Quartus II和Xilinx ISE，在逻辑综合和设计仿真环节都不是非常优秀，因此一般都会提供第三方EDA工具的接口，让用户更方便地利用其他EDA工具。为了提高设计效率，优化设计结果，很多厂家提供了各种专业软件，用以配合FPGA芯片厂家提供的工具进行更高效的设计。
比较常见的使用方式是：FPGA厂商提供的集成开发环境、专业逻辑仿真软件、专业逻辑综合软件一起使用，进行多种EDA工具的协同设计。比如Quartus II＋ModelSim＋FPGA Compiler II，ISE＋ModelSim＋Synplify Pro等等。