采用EEPROM对大容量FPGA芯片数据实现串行加载

    摘要：通过对比多种FPGA数据加载方式，从可靠性、经济性及PCB设计等几个方面说明了串行加载的优越性，分析了目前串行加载所面临的问题。为解决串行加载新面临的问题，提出了采用EEPROM与9500系列CPLD相结合实现串行加载的构想，并通过实际设计，成功地实现了该构想。

    关键词：FPGA CPLD EEPROM 并-串转换

自大规模现场可编程逻辑器件问世以来，先后出现了两类器件，一类是基于SRAM体系结构的FPGA系列，如XILINX公司4000系列和最新的Virtex系列；另一类 基于fastFLASH技术的CPLD器件，如XILINX公司9500系列和Lattic公司的ispLSxx系列芯片。FPGA具有容量大、设计资源丰富、片内ROM及RAM设计灵活等特点[1]，但是它们需要在每次上电时进行数据加载。目前实现加载的方法有以下三种：①采用PROM并行加载；②彩 专用SROM串行加载；③采用单片机控制实现加载。第一种方式需要占用较多的FPGA管脚资源，虽然这些管脚在加载完成后可用作一般I/O口，但在加载时不允许这些载完成后可用作一般I/O口，但在加载时不允许这些管脚有其他任何外来信号源；另外数据存储器PROM与FPGA之间的大量固定连线如8位数据线以及大量访问PROM的地址线等，使得PCB设计不便。但是第一种方式有一个有利的方面，即PROM的容量较大、容易购置、价格低、技术支持（编程器）较好。第二种方式情况刚好与第一种方式相反，即占用资源少，PCB布板方便，但是容量小、价格较高、兼容性差。第三种方式采用单片机控制，由PROM中读取并行数据，然后再串行送出。由于涉及到单片机编程，对于开发者来说较为不便；另外，如果单片机仅用来实现该任务，较为浪费硬件资源。CPLD的一个最大优点是采用计算机专用开发工具，通过JTAG口直接一次性实现编程数据加载，并永久保留，除非进行再次编程（与GAL器件相似）。该类器件比较适合在实验室内进行现场调试，但是由于其数据的加载必须通过计算机，因此对于从事野外作业者来说会产生不便。

通过上述比较，并结合实际工作情况，我们认为采用串行数据加载比较方便、可靠（这种可靠性得益于FPGA与SROM之间较少的接口线）。但随着FPGA规模的不断升级，其CONFIG数据量越来越大，截止到本文写作时，CONFIG数据量最大已列6MBIT，虽然XILINX公司有相关的XC17X系列SROM提供使用，但皆为一次性芯片[2]、开发成本较高、代理商供货周期长、价格较高，这给FPGA的应用及普及带来很大的障碍。我们曾使用过AT&T公司的ATT17系列电可擦除SROM，但是该类SROM芯片能与XILINX系列FPGA芯片实现接口的种类不多，且容量小。由于种种原因，其价格往往是同样存储容量的EEPROM的五、六倍，甚至更高，并且来源困难。那么能不能结合并行加载与串行加载的优点，从而解决容量FPGA数据加载的问题呢？我们在仔细分析了串行加载机制后，认为采用EEPROM作为数据存储器，经过可控的并-串转换，应该可以实现数据加载。下面的XILINX公司Virtex系列XCV100芯片为例，采用ATMEL公司1兆位的AT29C010A进行数据存储，采用XILINX公司9500系列XC95108芯片作为加载控制器件进行设计。

1 原理设计

原理性Master Serial模式串行加载时序如图1所示。在该加载模式中，比较重要的几个信号为/INIT、CCLK、DATAIN、DONE。/INIT表示FPGA芯片上电时或者当/PROGRAM信号为低时FPGA内部数据初始化过程，并作为外送信号给数据加载控制器件作为复位之用。当/INIT信号跃为高电平时，CCLK开始启动。加载数据DATAIN在CCLK的上升沿打入，与通用串行通讯相类似，加载数据流也有开始位与结束位，且以数据帧的方式接收。一旦发生错误，FPGA立即停止接收数据，并将/INIT信号置为低电平，因此该信号又称为错误指示信号。当数据全部接受并验证无误后，FPGA将DONE信号置为“1”[3]。

在分析了FPGA加载数据流特性后，可以得出这样一个结论：保证CCLK与DATAIN之间的严格同步与连续性，就可以实现加载。基于此结论，在生成加载数据格式时，产生单片SROM串行格式，对于XILINX公司的FPGA系列，该格式为.MCS文件格式；然后用ALL07编程器以INTEL HEX数据格式将其写入EEPROM中。余下的工作是在CCLK、/INIT、DATAIN的控制下完成并-串转换。该控制过程采用一片CPLD之95系列XC95108芯片来承担，在设计容量上采用一片X9536即可完成，之所以采用XC95108是因为其尚需要完成其他任务。其原理框图如图2所示。

2 并-串转换时序设计

在时序设计上，关键在于要保持DATAIN加载数据的连续性、DATAIN与CCLK加载时钟的同步性以及EEPROM访问地址的复位问题。对于复位问题，采用上电时FPGA产生的/INIT信号对95108内部的EEPROM地址发生器复位。这样做的原因是/INIT与FPGA之CCLK时钟产生有着同步关系，但同时也默认上电加载是一次成功；在考虑可贵 行DATAIN数据的连续性时，采用两组移位寄存器，设定它们为R_shiftA和R_shiftB，当R_shitfA在进行移位操作时，R_shiftB由EEPROM中读入八位并行数据，反之亦然；为保持ATAIN与CCLK时钟的同步性，所有上述操作都以CCLK为同步时钟，值得注意的是，由于DATAIN串行数据是在CCLK的上升沿打入FPGA，因此我们给予XC95108芯片设计的运转时钟是经过反相的CCLK时钟，这样就保证了CCLK与DATAIN的时间关系。

以下是为该加载设计的VHDL硬件编程语言设计程序[4[5],其中的计数器及移位寄存器模块用F2.11设计软件之LogicBlox模块产生。整个程序经F2.11开发软件仿零点、编译成功后，经JTAG编程电缆写入XC95108芯片。加电后便加载成功，经多次加电实验，成功率为100%。

虽然该程序是针对XCV100芯片及AT29C010AEEPROM设计的，但对于其他FPGA及EEPROM芯片同样适用，不同的是针对不同容量的EEPRIM，应改变其地址计数器的位数。

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all

entity v10sload is

port (

pDATA:in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)；

pADDRESS:inout STD_LOGIC_VECTOR (16 downto 0);

CCLKIN: in STD_LOGIC;

RESET:in STD_LOGIC;

DATAIN:out STD_LOGIC

);

end v10sload;

architecture v10sload_arch of v10sload is

signal:loadin,CE,nCE,CCLK8,nRESET,nCCLK,aDATAIN,bDATAIN:std_logic;

signal clkenable,CCLK:std_logic;

signal ppDATA:std_logic_vector(7 downto 0);

component clk_div8

PORT(

CLOCK,ASYNC_CTRL:IN std_logic;

CLK_OUT:OUT std_logic);

end component;

component R_shift8

PORT(

D_IN:IN std_logic_vector(7 DOWNTO 0);

LOAD:in std_logic;

CLK_EN:IN std_logic;

CLOCK:IN std_logic;

LS_OUT:OUT std_logic);

end component;

component BUFG

port (I:in std_logic; O:out std_logic);

end component;

begin

-------------------------------

--data-loading function statements here

nRESET<=not RESET;

init_data:process(RESET)

begin

if(RESET='0') then

ppDATA<="00000000";

else ppDATA<=pDATA;

end if;

end process init_data;

L0:BUFG port map(I=>CCLKIN,O=>CCLK);

nCCLK

L1:counter17 portmap

(CLOCK=>CCLK8,ASYNC_CTRL=>nRESET,Q_OUT=>pADDRESS);

L2:clk_div8 portmap

(CLOCK=>nCCLK,ASYNC_CTRL=>nRESET,CLK_OUT=>CCLK8);

nCE<=not pADDRESS(0);

CE<=pADDRESS(0);

Clkenable<='1';

L3:R_shitf8 portmap

(D_IN=>ppDATA,LOAD=>nCE,CLK_EN=>clkenable,CLOCK=>nCCLK,

LS_OUT=>aDATAIN;

L4:R_shift8 portmap

(D_IN=>ppDATA,LOAD=>CE,CLK_EN=>clkenable,CLOCK=>nCCLK,

LS_OUT=>bDATAIN);

process(aDATAIN,bDATAIN,CE)

begin

if(CE='1') then DATAIN<=aDATAIN;

else DATAIN<=bDATAIN;

end if;

end process;

end v10sload_arch;