二. 硬件设计

1.配置基本原理

RAM-Based FPGA由于SRAM工艺的特点，掉电后数据会消失。因此，每次系统上电后，均需对FPGA进行配置。对于Altera的FPGA，配置方法可分为：专用的EPROM （Configuration EPROM）、PS（Passive serial 无源串行）、PPS（Passive parallel synchronous 无源同步并行）、PPA（Passive parallel asynchronous 无源异步并行）、JTAG（不是所有器件都支持）。

本设计采用PS方式对FPGA进行配置，是基于如下几个方面的考虑：

1． PS方式连线最简单

2． 与Configuration EPROM方式可以兼容（MSEL0、1设置不变）

3． 与并行配置相比，误操作的几率小，可靠性高

只需利用CPU的5个I/O线，就可按图 2所指示的时序对FPGA 进行PS方式的配置。

2.配置电路的连接

CPU仅需要利用5个I/O脚与FPGA相连，就实现了PS方式的硬件连接，具体信号见下表（信号方向从CPU侧看）：

图 3 PS配置单片FPGA的硬件连接

图 4 PS配置多片FPGA的硬件连接

3.配置操作过程

CPU按下列步骤操作I/O口线，即可完成对FPGA的配置：

1． nCONFIG="0"、DCLK="0"，保持2μS以上。

2． 检测nSTATUS，如果为"0"，表明FPGA已响应配置要求，可开始进行配置。否则报错。正常情况下，nCONFIG="0"后1μS内nSTATUS将为"0"。

3． nCONFIG="1"，并等待5μS。

4． Data0上放置数据（LSB first），DCLK="1"，延时。

5． DCLK="0"，并检测nSTATUS，若为"0"，则报错并重新开始。

6． 准备下一位数据，并重复执行步骤4、5，直到所有数据送出为止。

7． 此时Conf_done应变成"1"，表明FPGA的配置已完成。如果所有数据送出后，Conf_done不为"1"，必须重新配置（从步骤1开始）。

8． 配置完成后，再送出10个周期的DCLK，以使FPGA完成初始化。

注意事项：

1． DCLK时钟频率的上限对不同器件是不一样的，具体限制见下表：

2． 步骤7中FPGA完成初始化所需要的10个周期的DCLK是针对ACEX 1K和FLEX 10KE的。如果是APEX 20K，则需要40个周期。

3． 在配置过程中，如果检测到nSTATUS为"0"，表明FPGA配置有错误，则应回到步骤1重新开始。

图 5 操作流程框图

4.实现在线升级

采用本模块的最大优点是可以实现单板FPGA的在线升级。要实现在线升级，单板设计必须考虑以下几个问题：

1． CPU的启动必须不依赖于FPGA，即CPU子系统应在FPGA被配置前可独立运行并访问所需资源。CPU对FPGA进行配置所需的资源很少，一般来说，仅RAM和BootROM的访问而已。

2． FPGA配置前（或配置过程中）必须保证控制的设备处于非工作态或不影响其他设备工作的稳定态。

3． 为了实现FPGA的在线升级，存放FPGA配置数据的存储器器必须是CPU可重写的，且此存储器应是非易失性的，以保证单板断电后，FPGA数据不需从后台重新获得。

具体过程

结合图6的实例，对FPGA在线升级作一具体描述。

图6 FPGA在线升级

1． 使用编译和连接工具，将FPGA的第一个版本与MPC860的工作程序连接在一起，分别占用地址为0x70000-0x7FFFF和0x00000-0x6FFFF的存储空间。

2． 单板启动时，MPC860自动将0x70000-0x7FFFF的数据下载到FPGA中，完成FPGA配置。

3． 当FPGA需升级时，将新的RBF配置文件放在后台计算机中。

4． MPC860把BOOTROM的0x70000-0x7FFFF空间当作普通数据存储区，通过后台将新的RBF配置文件放在0x70000-0x7FFFF中。

5． MPC860调用BOOTROM中的FPGA配置子程序，对FPGA从新下载数据，完成FPGA升级。

以MPC860和Altera EP1K30为例，电原理图如下：

图7 电原理图