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嵌入式系統(tǒng)中FPGA的被動串行配置方式
摘要：介紹一種在嵌放式系統(tǒng)中使用微處理器被動串行配置方式實現(xiàn)對FPGA配置的方案，將系統(tǒng)程序及配置文件存在系統(tǒng)Flash中，利用微處理器的I/O口產(chǎn)生配置時序，省去配置器件；討論FPGA的各種配置方式及各種配置文件的使用；詳述被動串行配置的時序及在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的軟硬件設(shè)計；說明本方案的優(yōu)越性及應(yīng)用前景。隨著信息時代的到來，嵌入式系統(tǒng)成為繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后又一個新的技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)以其功能強、體積小、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是一種高密度可編程邏輯器件，其邏輯功能的實現(xiàn)是通過把設(shè)計生成的數(shù)據(jù)文件配置進(jìn)芯片內(nèi)部的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）來完成的，具有可重復(fù)編程性，可以靈活實現(xiàn)各種邏輯功能。FPGA的這種特性使其在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。基于SRAM工藝的FPGA是易失性的，系統(tǒng)掉電以后其內(nèi)部配置數(shù)據(jù)將丟失，因此需要外接ROM保存其配置數(shù)據(jù)。FPGA的配置是有時序要求的，如果FPGA本身不能控制配置時序，就需要有外部配置器件來進(jìn)行時序控制。以Altera公司的系列FPGA為例，其本身不能控制配置時序，就有專用的EPC系列配置器件供其使用。在含有微處理器（MPU或MCU）的系統(tǒng)中（如嵌入式系統(tǒng)），可以使用微處理器產(chǎn)生配置時序，將保存在系統(tǒng)RO風(fēng)吹草動的配置數(shù)據(jù)置入FPGA。與前面一種方案相比，該方案不僅節(jié)省了成本，更縮小了系統(tǒng)體積。在對成本和體積敏感的系統(tǒng)中，該方案非常適用。
在某手持式通信設(shè)備的設(shè)計中，使用了嵌入式系統(tǒng)和FPGA完成了系統(tǒng)功能。嵌入式微處理器采用Samsung公司的ARM7TDMI系列處理器S3C44B0X；FPGA采用Alrera公司的APEX 20K系列EP20K200E，使用S3C44B0X完成了對EP20K200E的配置，取得了良好效果。本文對其實現(xiàn)方法予以介紹。
1 ARM嵌入式處理器S3C4480X簡介
S3C44B0X是Samsung公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用而設(shè)計的高性價比和高性能的嵌入式處理器。其突出特點它的CPU核采用ARM公司的16/32位ARM7TDMI RISC內(nèi)核，0.25μm CMOS工藝制造，主頻最高可達(dá)66MHz，存儲器尋址空間達(dá)256MB。由于其成本和功耗低，特別適合對成本敏感和功能敏感的應(yīng)用場合，如PDA、GPS、LCD Game、E-Book等。
2 APEX 20K系列FPGA配置方式及配置文件
2.1 配置方式介紹
Altera公司的APEX 20K系列FPGA可以使用以下方式進(jìn)行配；
①使用專用配置器件，如EPC16、EPC8、EPC2、EPC1、EPC1441；
②被動串行方式（PS），使用微處理器的串行步接口或ByteBlaster下載電纜；
③被動并行同步方式（PPS），使用微處理器的并行同步接口；
④被動并行異步方式（PPA），使用微處理器的并行異步接口；
⑤邊界掃描方式（JTAG），使用JTAG下載電纜。
使用方式①時，需要首先使用下載電纜將計算機生成的FPGA配置文件燒入EPC配置器件中，然后由EPC配置器件控制配置時序?qū)PGA進(jìn)行配置，一次燒寫即可重復(fù)使用。使用方式②、③、④時，配置文件事先以二進(jìn)制形式保存在系統(tǒng)ROM中，可以脫離開計算機重復(fù)使用。若使用方②、③、④時，配置文件事先以二進(jìn)制形式保存在系統(tǒng)ROM中，可以脫離開計算機重復(fù)使用。若使用方式②，微處理器將配置數(shù)據(jù)以串行（比特流）方式送給FPGA，在配置時鐘驅(qū)動下完成配置。若使用方式③，微處理器將配置數(shù)據(jù)以并行（字節(jié)）方式送給FPGA，由FPGA在其內(nèi)部將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，該串行化的過程需要外部配置時鐘的驅(qū)動。在配置時鐘速率相同的情況下，方式②、③所用的配置時間幾乎相同，但方式②的接口要比方式③簡單，若使用方式④，微處理器仍將配置數(shù)據(jù)以并行方式送給FPGA，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)據(jù)串行化；與方式③不同的是，該過程不需要外部配置時鐘的驅(qū)動，但其接口更復(fù)雜，并且需要進(jìn)行地址譯碼，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，一般很少采用。使用方式⑤時需要計算機的配合，無法在最終的實際系統(tǒng)中脫機使用，此處不予討論。
通過上述討論可以看出，在使用APEX 20K系列FPGA開發(fā)實際應(yīng)用系統(tǒng)，特別是要形成某種產(chǎn)品時，如果系統(tǒng)中不含微處理器，只能使用方式①；若系統(tǒng)中含有微處理器，方式①、②、③、④都可以使用，但②、③、④可以發(fā)現(xiàn)，方式②的接口最簡單，實現(xiàn)起來比其它兩種方式都方便因而在含有微處理器的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，本通信系統(tǒng)的設(shè)計中即采用了該方式。
2.2 配置文件的使用
Altera公司的開發(fā)工具Quartus II及MAX PLUS II可以生成多種格式的配置文件，針對不同的配置方式要使用不同格式的配置文件。設(shè)計項目編譯以后會自動生成.sof文件和.pof文件。其中.pof文件在配置方式①使用專用配置器件時使用，.sof文件用于通過連接在計算機上的下載電纜直接對FPGA進(jìn)行配置的場合，配置方式可以是JTAG方式或PS方式中使用ByteBlaster下載電纜的情況�；�.sof文件還可以生成.hex、.rbf和.ttf文件。.hex文件是Intel Hex格式的ASCII碼文件，第三方的編程器可以使用這種格式的文件對Altera公司的配置器件進(jìn)行編程。.rbf文件是二進(jìn)制文件，1字節(jié)的rbf數(shù)據(jù)包含8bit的配置數(shù)據(jù)，使用時將其存入ROM中。微處理
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