FPGA在线加载模式简介

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        FPGA是基于SRAM编程的，编程信息在系统掉电时会丢失，每次上电时，都需要从器件外部的FLASH或EEPROM中存储的编程数据重现写入内部的SRAM中。FPGA在线加载需要有CPU的帮助，并且在加载前CPU已经启动并工作。
        FPGA的加载模式主要有以下几种：
       1).PS模式(Passive Serial Configuration Mode)，即被动串行加载模式。PS模式适合于逻辑规模小，对加载速度要求不高的FPGA加载场合。在此模式下，加载所需的配置时钟信号CCLK由FPGA外部时钟源或外部控制信号提供。另外，PS加载模式需要外部微控制器的支持。
       2).AS模式(Active Serial Configuration Mode)，即主动串行加载模式。在AS模式下，FPGA主动从外部存储设备中读取逻辑信息来为自己进行配置，此模式的配置时钟信号CCLK由FPGA内部提供。
       3).PP模式(Passive Parallel Configuration Mode)，即被动并行加载模式。此模式适合于逻辑规模较大，对加载速度要求较高的FPGA加载场合。PP模式下，外部设备通过8bit并行数据线对FPGA进行逻辑加载，CCLK信号由外部提供。
       4).BS模式(Boundary Scan Configuration Mode)，即边界扫描加载模式。也就是我们通常所说的JTAG加载模式。
    所有的FPGA芯片都有三个或四个加载模式配置管脚，通过配置来选取不同的加载模式。
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">        首先来介绍下PS加载模式，各个厂商FPGA产品的PS加载端口定义存在一些差异，下面就对目前主流的三个FPGA厂商Altera, Xilinx,Lattice的PS加载方式进行一一介绍。

<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">   
       Altera公司的FPGA产品PS加载接口如下图所示。
   
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">         1).CONFIG_DONE：加载完成指示输出信号，I/O接口，高有效，实际使用中通过4.7K电阻上拉到VCC，使其默认状态为高电平，表示芯片已加载完毕，当FPGA正在加载时，会将其驱动为低电平。
         2).nSTATUS：芯片复位完成状态信号，I/O接口，低有效，为低时表示可以接收来自外部的加载数据。实际使用中通过4.7K电阻上拉到VCC，使其默认状态为高，表示不接收加载数据。
        3).nCE：芯片使能管脚，输入信号，低有效，表示芯片被使能。当nCE为高电平时，芯片为去使能状态，禁止对芯片进行任何操作。对于单FPGA芯片单板，nCE直接接GND即可，而对于多FPGA芯片单板，第一片芯片的nCE接GND，下一芯片的nCE接上一芯片的nCEO。
        4).nCEO：使能输出信号，当芯片加载完成时，该管脚输出为低电平，未加载完成时输出为高电平。对于单FPGA芯片单板，nCEO悬空，对于多FPGA芯片单板，nCEO接下一芯片的nCE。
        5).nCONFIG：启动加载输入信号，低电平时表示外部要求FPGA需要重新加载，复位FPGA芯片，清空芯片中现有数据。实际使用中该管脚通过4.7K电阻上拉到VCC，使其默认状态为高。
        6).DCLK：加载数据参考时钟。PS模式下为输入，AS模式下为输出。
        7).DATA0：加载数据输入，输入信号。
        8).MSEL[0:3]：加载模式配置管脚。

<SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12pt">     上图为利用CPU扩展I/O端口对多片FPGA进行PS加载的硬件连接实例。CPU可以利用自己的I/O端口来对FPGA进行直接加载，不过，由于CPU的I/O端口有限，在大多数情况下，都是利用扩展I/O端口，扩展器件可以是CPLD或FPGA，不过在大多数情况下都是CPLD。上图为同步加载方案，两片FPGA的nCE管脚都接GND，所以两片FPGA的加载操作会同时开始和结束，此种设计方案适用于两片FPGA来自同一个厂家，并且逻辑数据相同。如果两片FPGA的逻辑数据不同，则需要采取异步加载模式，如下图所示。

<SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12pt">    如上图所示，第一片芯片的nCEO输出管脚与第二片芯片的nCE管脚连接，当第一片芯片加载逻辑时，nCEO输出高电平，将第二片芯片禁止，直到第一片芯片加载完成时，nCEO输出低电平，让第二片芯片使能，然后开始接收加载数据。

        FPGA的加载流程
       1).CPU的I/O端口或扩展I/O端口将FPGA的nCONFIG驱动为低，通知FPGA去完成加载前的准备工作(复位芯片，清空FPGA内部数据)。
       2).FPGA完成准备工作，将nSTATUS信号驱动为低，表示准备工作已完成，可以接收加载数据。
       3).CPU对FPGA加载逻辑，在此器件，FPGA将CONFIG_DONE驱动为低，表示正在加载。
       4).加载完成后，FPGA将CONFIG_DONE驱动为高，通知CPU加载已完成。如果加载过程出现错误，需要重新加载的话，FPGA会将CONFIG_DONE保持为低，通知CPU重新加载。

        Xilinx公司FPGA产品的逻辑加载端口信号跟Altera公司的有点差别，如下图所示。
   
<SPAN style="FONT-SIZE: 12pt; FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">         1).DONE：加载完成指示信号，I/O信号，OD输出，低有效，使用时需要上拉到VCC，此信号与Altera芯片的CONFIG_DONE信号功能相同。
         2).INTI_B：I/O信号，OD输出，在配置模式采样之前，此信号为输入，为低电平时，表示延迟配置。在配置模式采样后，用于指示配置过程中是否有CRC错误，为低电平时表示有CRC错误。使用时需要上拉到VCC。
         3).PROG_B：输入信号，低电平时，异步复位芯片，为接收加载数据作准备。与Altera芯片的nCONFIG信号功能相同。
         4).CCLK：I/O信号，JTAG模式外的所有配置模式下的时钟输入。
         5).D_IN：输入信号，加载数据输入，与CCLK信号的上升沿同步。
         6).D_OUT：输出信号，串行数据输出。当FPGA芯片配置为bypass模式时，D_IN可以直接透传过芯片从D_OUT管脚输出。
        Xilinx芯片PS加载的硬件连接方式同Altera芯片的相同，这里就不画了，同样的，Xilinx芯片多片加载时也支持同步和异步两种方式。同步方式下，加载数据分别跟每一片FPGA芯片的D_IN信号连接。异步方式下，前一芯片的D_OUT接后一芯片的D_IN，等前一芯片加载完毕后，切换到bypass模式，数据直接从D_OUT管脚透传过去给后面一片芯片加载。
       Lattice公司的FPGA产品逻辑加载端口跟Xilinx很相似，如下图所示。
   
         CFG是加载模式配置管脚，PROGRAMN是加载控制管脚，输入信号，低电平进入加载状态。DI是加载数据输入管脚，非加载状态下可作为普通I/O端口使用。
        下面是Lattice FPGA芯片的PS和AS加载模式混合使用的实例，如下图所示。

<SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12pt">     如上图所示，左边的FPGA使用AS模式，通过CPU的SPI接口给自己加载逻辑，时钟信号CCLK由左边的FPGA提供，等左边的FPGA加载完成后，它会作为主控制器给右边的FPGA加载，此时的加载方式为PS模式。CPU通过I/O口与两片FPGA的PROGRAMN管脚相连，可以控制加载的先后顺序。

         PP加载模式
Altera芯片的并行加载端口与串行加载差不多，只是数据宽度由1位增加到8位。
Xilinx芯片的并行加载端口与串行加载端口相比，多出如下信号线：
        1).数据宽度由1位增加到8位；
        2).DOUT_BUSY：回读数据Ready指示信号。
        3).CS_B：芯片加载选择管脚，低有效；
        4).RPWD_B：读写控制信号，低电平为写，高电平为读。
Lattice芯片的并行加载端口与串行加载端口相比，多处如下信号线：
        1).CSN/CS1N：加载启动信号，CSN或CS1N为高时，D[7:0]和BUSY变为高；CSN和CS1N同为高时，flow_through和bypass寄存器将被复位；CSN和CS1N同为低时，FPGA进入加载状态。
        2).WRITEN：读写控制信号，低电平时表示写，高电平时表示读。
        3).BUSY：三态输出，BUSY＝0时，表示已准备好接收D[0:7]或送出D[0:7]；为高电平时表示忙碌。

        4).CSON：当flow_through使能时，当第一个FPGA芯片加载完成后，CSON将输出低电平，使第二个FPGA进入加载状态。此信号可连接下一片芯片的CSN, CS1N
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