CPLD对FPGA从并快速加载的解决方案

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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.
         
        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。