使用AVR单片机配置FPGA

Altera公司的ACEX、FLEX等系列的FPGA芯片应用广泛，但其FPGA基于SRAM结构，决定电路逻辑功能的编程数据存储于SRAM中。

由于SRAM的易失性，每次上电时必须重新把编程数据装载到SRAM中，这一过程就是FPGA的配置过程。FPGA的配置分为主动式和被动式。在主动模式下，FPGA上电后主动将配置数据从专用的EPROM(如EPC1，EPC2等)加载到SRAM中。被动模式下，FPGA为从属器件，由相应的控制电路或微处理器控制配置过程，包括通过下载电缆由计算机控制配置和单片机模拟配置时序配置。其中，专用的EPROM价格高，可编程次数少，而计算机配置在现场应用中又很不现实，因此本文提出一种基于AVR单片机的被动配置方式。由于AVR系列单片机的内嵌闪存的容量为8～128kB，可容纳中小规模(10万门以下)FPGA的配置文件并进行配置，另外还可实现多任务配置。以下将以FLEX10K10为例，介绍单片机对FPGA的双任务配置。

ATmega系列单片机

ATMEL公司的ATmega系列单片机根据片内闪存的大小分为ATmega8、ATmega32、ATmega128等。本设计采用的是ATmega32，该单片机片内含16K×16共32KB的片内可编程ROM，可擦写10 000次，能装载2万门以内FPGA的配置数据，最高性能可达16MIPS，可在最短的时间内完成FPGA的配置。如需要配置门数更高的FPGA，可采用MEGA128。

硬件电路设计

ATmega32内含32KB的闪存，FPGA为FLEX10K10，其配置文件的大小为15KB，因此该方案可实现双任务配置。硬件连接上，采用单片机配置模式时，须将FLEX10K10的MESL0、MESL1、nCE接地，同时将nCONFIG、DCLK、DATA0、nSTATUS、CONF_DONE分别与MEGA32的PA0～PA4相连。MEGA32的I/O口均是可编程的，根据需要将PA0、PA1、PA2设置为输出口，PA3、PA4设置为输入口。另外，需在单片机的PB0、PB1上连接两个按键以选择配置任务。具体电路如图1所示。

图1 硬件原理框图

配置方式

Altera公司FPGA器件的配置方式主要有AS(主动串行方式)、PS(被动串行方式)、PPS(被动并行同步方式)、PPA(被动并行方式)和JTAG(边界扫描方式)，使用单片机对FPGA进行配置主要是采用单片机来模拟PS方式的时序，以实现FPGA器件的配置。

被动串行方式的工作过程如下：配置时需要五个引脚，其中nCONFIG、DCLK、DATA0为单片机的输出引脚，nSTATUS、CONF_DONE为单片机的输入引脚。系统上电后，由单片机使nCONFIG上产生一个大于8μs的负脉冲，FPGA检测到nCONFIG的下降沿后将启动配置过程，nSTATUS和CONF_DONE随之拉低。nCONFIG抬高1μs内，nSTATUS抬高，配置数据从DATA0上由低位到高位依次送出，当所有配置数据全部送出后，CONF_DONE被抬高，当MCU检测到这一变化后即结束配置过程。随后，DCLK必须再提供几个周期的时钟(对于FLEX10K需要10个周期)以供FPGA正确完成初始化，进入用户模式。若配置过程出错，nSTATUS将被拉低，MCU重新启动配置过程。其配置时序如图2所示。

图2 被动串行配置时序图[page]

配置文件

Altera公司的开发工具Quartus II和MAXPlus II可生成多种配置文件，包括sof、pof、hex、rbf、ttf等。该配置方案中采用的是rbf文件，rbf文件为二进制文件，包含了全部配置数据，1字节的rbf数据包含8bit的配置数据，配置时最低位先由低位到高位依次装入。

软件设计

使用单片机对FPGA的设计关键是软件设计。在双任务配置中，两个任务的配置数据分别存放于不同起始地址的连续存储器区域中。单片机上电复位后，进入按键查询状态，检测到按键按下后，单片机从相应起始地址中读出数据并对FPGA进行配置。配置过程按照PS方式的时序要求进行，配置完成后重新进入按键查询状态。控制程序流程图如图3所示。

图3 控制程序流程图

在双任务配置中，两个任务的配置数据分别存放于指定的地址中，由引导程序从指定地址中读出数据并对FPGA进行配置。引导程序和rbf文件(配置数据)的合并是软件设计的关键，以下详述其处理过程。

(1) 将引导程序在ICCAVR下编译并生成mcu.hex，hex文件格式是由Intel公司定义的，是按地址排列的数据信息，数据宽度为字节，所有数据使用16进制数字表示. 以下是一个例子。

:10008000AF5 F67F0602703E0322CFA92007780C361
:1000900089001C6B7EA7CA9200 FE10D2AA00477D81
:0B00A00080FA92006F3600 C3A00076CB
:00000001FF

第一行，“:”符号表明记录的开始。后面的两个字符表明记录的长度，这里是10h。后面的四个字符给出调入的地址，这里是0080h。后面的两个字符表明记录的类型后面则是真正的数据记录, 最后两位是校验和检查，最后一行是结束串，总写成这样；

(2)将fpga1.rbf改为fpga1.bin，使用“超级单片机工具”将fpga1.bin转换成起始地址为0x0273(mcu.hex的数据长度)的FPGA1.hex；
(3)将fpga2.rbf改为fpga1.bin，使用“超级单片机工具”将fpga2.bin转换成起始地址为0x3bd7(mcu.hex和fpga1.hex的数据长度和)的FPGA2.hex；
(4)将删除结束串后的mcu.hex和fpga1.hex与FPGA2.hex依次合并成config.hex；
(5)将config.hex用下载线下载到ATmega32单片机中。

结论

以上方案可适用于3.3V和5V系统的FPGA配置，无须扩展EEPROM，还能实现多任务配置。