多片國產(chǎn)FPGA加載方式的探討*

沈佐峰，梁文婷

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）以其高靈活性、豐富的邏輯和I/O資源，在電子、通信領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，目前FPGA市場被Xilinx、Lattice、Alter（已被Intel收購）及Actel（已被Microsemi收購）4家美國公司壟斷。國家對(duì)核心關(guān)鍵芯片的國產(chǎn)自主化日益迫切的需求，促使國內(nèi)廠家近年來大力發(fā)展FPGA設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)業(yè)，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的FPGA廠家，如上海安路、高云半導(dǎo)體及京微齊力等。但是，上述國內(nèi)廠家由于工藝和技術(shù)上的限制，芯片性能一定程度上落后于國外幾家大廠。因此，通常FPGA在國產(chǎn)自主可控設(shè)備的工程使用上，由于性能的不足，需通過多片F(xiàn)PGA功能分隔完成工程化應(yīng)用[1]。

目前，無論國內(nèi)外廠商，F(xiàn)PGA的制造工藝大多數(shù)基于SRAM工藝。它具有易失性，F(xiàn)PGA在每次上電后需要重新進(jìn)行配置加載。配置加載傳統(tǒng)采用單片F(xiàn)PGA單獨(dú)配置一個(gè)PROM的方式，以實(shí)現(xiàn)FPGA程序的非易失和上電自動(dòng)加載。但是，該方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一旦FPGA板卡裝入整機(jī)后再進(jìn)行程序的修改或升級(jí)，必須通過開箱后連接下載電纜實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程非常繁雜。

針對(duì)上述情況，本文提出了3種解決方案：第一種通過MCU采用菊花鏈的方式實(shí)現(xiàn)兩片或多片國產(chǎn)化FPGA程序的加載；第二種通過MCU配置和更新FPGA的程序存儲(chǔ)FLASH，再實(shí)現(xiàn)從FLASH啟動(dòng)FPGA；第三種是直接通過MCU加載FPGA。

1 FPGA配置加載原理

目前，針對(duì)國內(nèi)外FPGA產(chǎn)品在配置方法，配置引腳功能設(shè)置及配置接口時(shí)序基本完全相同。這里以上海安路信息科技有限公司的AL3A10BG256為例進(jìn)行原理介紹[2]。AL3A10BG256共有7種配置方式可選擇，分別是主動(dòng)串行（Master Serial，MS）、從動(dòng)串行（Slave Serial，SS）、從動(dòng)并行（Slave Parallel，SP）、主動(dòng)并行（Master Parallel，MP）、快速SPI、標(biāo)準(zhǔn)SPI和JTAG配置模式。配置模式由MSEL[0-2]3個(gè)模式選擇信號(hào)確定。

AL3A10BG256芯片的配置過程包含3個(gè)步驟：

（1）在芯片上電復(fù)位或者系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)有效后進(jìn)入復(fù)位階段，等待內(nèi)部信號(hào)和電源穩(wěn)定后，系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化和內(nèi)部配置信息清除過程；

（2）當(dāng)芯片初始化完成后，F(xiàn)PGA開始接受配置數(shù)據(jù)寫入；

（3）數(shù)據(jù)寫入完成后，F(xiàn)PGA芯片進(jìn)入啟動(dòng)階段。

AL3A10BG256的配置引腳分為專用配置引腳和復(fù)用引腳，復(fù)用引腳配置完成后可以用一般IO使用。專用引腳包括配置模式選擇引腳（MSEL[0-2]）、配置時(shí)鐘引腳（CCLK）、配置開始信號(hào)引腳（PROGRAMN）、配置完成引腳（DONE）、配置錯(cuò)誤指示引腳（INITN）、從模式配置片選引腳（CSN）及邊界掃描相關(guān)引腳（TDI、TDO、TMS、TCK）。復(fù)用引腳包括配置級(jí)聯(lián)片選、數(shù)據(jù)輸出腳（CSON/DOUT）、SPI模式片選輸出（SPICSN）和配置數(shù)據(jù)輸入引腳（D[7:0]），其中D[1]還可以做為MSPI模式下的MOSI，D[0]還可以作為從模式下的DIN和MSPI模式下的MISO。DONE和INITN是開漏輸出，需采用電阻上拉。

在初始化過程中，如需要重新下載配置數(shù)據(jù)，拉低PROGRAMN引腳后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化過程。初始化過程中，F(xiàn)PGA將清除內(nèi)部所有配置點(diǎn)，復(fù)位內(nèi)部寄存器。在數(shù)據(jù)寫入階段，INITN信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)用戶配置數(shù)據(jù)開始寫入AL3A10BG256。在啟動(dòng)階段，F(xiàn)PGA釋放DONE信號(hào)、釋放全局三態(tài)信號(hào)GTS、釋放全局復(fù)位/置位信號(hào)GSR及釋放全局寫使能信號(hào)GWE。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 多片F(xiàn)PGA級(jí)聯(lián)方式

安路公司FPGA支持兩種級(jí)聯(lián)方式：一種是JTAG方式下的級(jí)聯(lián)（即通常說的菊花鏈）；另一種是從動(dòng)模式下（SP/MP）的聯(lián)級(jí)。

2.1.1 JTAG級(jí)聯(lián)加載

JTAG級(jí)聯(lián)加載相對(duì)比較簡單，如果要下載到FLASH，則只支持三級(jí)級(jí)聯(lián)，如圖1所示。

圖1 JTAG級(jí)聯(lián)硬件

JTAG級(jí)聯(lián)在TD軟件中需要進(jìn)行設(shè)置，先把需要加載的多個(gè)bit文件加入，并生成SVF文件，然后設(shè)置level，即可下載。如果是單級(jí)，則直接下載bit文件。安路的FPGA和國外FPGA在下載時(shí)有一定區(qū)別。國外FPGA直接下載到FPGA里是bit文件，如果下載到FLASH里則是MCS等文件。安路FPGA不論是下載到FPGA還是FLASH，都可以選則bit文件，可以在軟件中選擇采用JTAG方式加載還是FLASH方式加載[3]。

該方式較適合在開發(fā)調(diào)試階段使用，通過JTAG調(diào)試或下載程序到FLASH，也是最常用的方式。由于只存儲(chǔ)單一程序的配置文件，一旦加載后只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能，不同功能模塊之間不能直接進(jìn)行互換，也不方便升級(jí)。該模式一般應(yīng)用于產(chǎn)品量小且產(chǎn)品只在特定室內(nèi)運(yùn)行，能快速拆卸機(jī)殼的環(huán)境，或者產(chǎn)品本身沒有MCU。

2.1.2 從動(dòng)級(jí)聯(lián)加載

無論是在SS、MS還是MP、SP模式下，都有Flow Through和Bypass兩種級(jí)聯(lián)模式。級(jí)聯(lián)工作模式由位流中的命令指定。這兩個(gè)級(jí)聯(lián)模式是可以無限級(jí)數(shù)的級(jí)聯(lián)，非常適合大型系統(tǒng)采用。

在AL3A10BG256芯片的配置數(shù)據(jù)下載時(shí)，若采用Flow Through模式，第一塊FPGA配置完成后，輸出CSON啟動(dòng)第二款芯片進(jìn)入配置。Bypass模式下，第一塊芯片配置完成后，配置給其他FPGA的數(shù)據(jù)在每個(gè)CCLK上升時(shí)刻輸出給DOUT引腳。級(jí)聯(lián)配置芯片的DONE和INITN引腳通過上拉電阻線與連接在一起，只有2片都完成配置后，通過DONE芯片同時(shí)開始工作，如圖2所示。

圖2 級(jí)聯(lián)

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

隨著通信設(shè)備的復(fù)雜化、多樣化和國產(chǎn)化，同一套硬件設(shè)備可能應(yīng)用于不同場合，這要求國產(chǎn)FPGA的內(nèi)部邏輯要可隨著應(yīng)用場合可變化，使設(shè)備可以滿足“一機(jī)多用”的應(yīng)用需求。為了適應(yīng)這種需求，本文介紹了一種“MCU+FLASH+JTAG”的硬件配置系統(tǒng)，可在不同條件下進(jìn)行不同方式的加載[4]。

圖3可以選擇幾種加載方式：一是JTAG加載或通過JTAG下載程序到FLASH；二是MCU直接加載，程序存在MCU中；三是通過FLASH加載，F(xiàn)LASH可以通過MCU的網(wǎng)口、USB、串口隨時(shí)更新程序。第一種即JTAG級(jí)聯(lián)，不作詳細(xì)介紹，下面主要說明后兩種加載方式。

2.2.1 MCU加載

第二種方式MCU加載bit文件，不需要FLASH。安路TD軟件生成的bin文件存入MCU軟件。MCU在啟動(dòng)后讀取二進(jìn)制文件，通過串行口寫入FPGA中，硬件設(shè)計(jì)如圖3所示的第2種方式。

FPGA軟件可以設(shè)置為Flow Through級(jí)聯(lián)模式，也可以是主動(dòng)串接的Flow Through級(jí)聯(lián)模式，通過MSEL選擇。如果要采用Bypass級(jí)聯(lián)，則把上一級(jí)的DOUT輸入到下一級(jí)的DIN。需要在TD軟件中設(shè)置以下兩個(gè)選項(xiàng)開關(guān)，分別為設(shè)置級(jí)聯(lián)模式為Bypass或Flow Through模式和設(shè)置多片同步啟動(dòng)模式。

MCU將FPGA和MCU之間的配置寄存器設(shè)置為加載模式，將PROGRAM信號(hào)拉低并保持低電平時(shí)間大于1 μs，F(xiàn)PGA檢測到PROGRAM為低且配置寄存器為0x1（加載模式），清除現(xiàn)有的程序進(jìn)入加載狀態(tài)，同時(shí)拉低INITN信號(hào)和DONE信號(hào)對(duì)CPU反饋。CPU檢測INITN和DONE信號(hào)為低，待FPGA準(zhǔn)備就緒后，將INITN信號(hào)拉高；CPU檢測到INITN信號(hào)為高后，將輸出時(shí)鐘，并在時(shí)鐘下降時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。第一片F(xiàn)PGA芯片配置完成后，它會(huì)在每個(gè)CCLK上升時(shí)刻將新收到的數(shù)據(jù)通過DOUT引腳移位到下一片F(xiàn)PGA中。當(dāng)所有FPGA加載完成后，最后一片F(xiàn)PGA將DONE信號(hào)拉高。如果加載不成功，DONE信號(hào)一直為低。FPGA在DONE信號(hào)拉高的同時(shí)，把配置寄存器設(shè)置為0x0（正常模式）。CPU在所有配置寫入后延遲1 s，檢測DONE信號(hào)并且讀取配置寄存器，如果都正常，則表示加載成功。

圖3 FPGA加載硬件

當(dāng)需要升級(jí)FPGA程序時(shí)，通過網(wǎng)口或別的通信口通過MCU。MCU接收到遠(yuǎn)程傳來的FPGA程序的BIN文件存放在外掛的非易失存儲(chǔ)器中（如SD卡）的特定位置，同時(shí)開始進(jìn)入加載模式。在FPGA加載成功后，將此次收到的BIN文件覆蓋之前FPGA加載文件存放位置。如果沒有加載成功，則把FPGA以前版本BIN重新加載，并且通知遠(yuǎn)方主機(jī)。

MCU軟件流程序邏輯，如圖4所示。

這種加載方式成本較低，升級(jí)性能好，可以在程序運(yùn)行任何時(shí)間段更新程序并重新加載，缺點(diǎn)是CCLK也要由MCU GPIO口模擬。如果MCU GPIO口的速度較慢，加載文件較大，那么時(shí)間就較長。以兆易的MCU（GD32F450）+復(fù)旦微JFM7K325T為例，兆易自身啟動(dòng)大于90 s（與程序大小有關(guān)），JFM7K325T的BIN文件是11 176 kbyte。如果MCU GPIO的速度為800 kHz，F(xiàn)PGA加載時(shí)間為14 s，還需要MCU讀取加載文件的時(shí)間，從加電到FPGA啟動(dòng)完成正常工作，需要將近120 s。對(duì)于時(shí)間比較敏感的產(chǎn)品來說，用戶的體驗(yàn)會(huì)很差。在同等條件下，如果從FLASH啟動(dòng)，時(shí)鐘為33 MHz，則加載只需要2.7 s。

2.2.2 FLASH加載

第三種方式是通過FLASH加載bit文件，同時(shí)升級(jí)FLASH很方便，硬件如圖3所示的第3點(diǎn)，產(chǎn)生bit文件或bin文件都可以（這與國外FPGA不同），要升級(jí)時(shí)可以通過MCU外接的RJ45或USB或RS232口連接。以北京兆易的MCU（GD32F450）+安路FPGA（AL3A10BG256）搭建一個(gè)升級(jí)平臺(tái)，如圖5所示。

圖4 MCU軟件流程序邏輯

圖5 硬件平臺(tái)

GD25Q64作為FPGA配置Flash，啟動(dòng)時(shí)連接FPGA的加載引腳。需要FPGA升級(jí)時(shí)，MCU和FPGA通信，通過SPI1接口訪問配置Flash，實(shí)現(xiàn)FPGA升級(jí)功能。FLASH要成2個(gè)BANK，初始狀態(tài)BANK1和BANK2的BIN文件為一樣的。收到升級(jí)BIN后，BANK1為升級(jí)的BIN，BANK2為當(dāng)前版本的BIN。在RJ45、USB、RS232三種接口中，RJ45距離最遠(yuǎn)，只要網(wǎng)絡(luò)允許即可通信，但要在下載bin或bit文件時(shí)，加校驗(yàn)措施。USB和RS232都只能近距離升級(jí)，可以通過U盤升級(jí)連接USB座子。MCU收到USB提示后，讀取USB內(nèi)容后送入FLASH中。通過RS232可以實(shí)現(xiàn)RS23和計(jì)算機(jī)相連，然后MCU自帶的使用“GigaDevice ISP Programmer”軟件，選擇相應(yīng)的MCU，把BIN下載到MCU再進(jìn)入FLASH。

MCU升級(jí)FLASH，需要制定一個(gè)升級(jí)寄存器，初始狀態(tài)為0x0。如果有程序?qū)懭隖LASH，則置0x3，在下次啟動(dòng)時(shí)從BANK1讀取程序。如FPGA正常啟動(dòng)，則把升級(jí)寄存器置0x1。MCU檢測到寄存器為0x1時(shí)，把BANK1的BIN文件寫入BANK2，同時(shí)把升級(jí)寄存器置為0x00。如果CPU檢測到FPGA重新加載了，升級(jí)寄存器為0x3，則把BANK2的數(shù)據(jù)覆蓋BANK1，把寄存器置為0x00，且通過升級(jí)不成功。

第三種方式也是在產(chǎn)品階段，通過FLASH啟動(dòng)。如果需要更新程序，MCU通過SPI更新FLASH的程序。這種配置方法的優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡單、體積小，適合不需要頻繁升級(jí)、對(duì)啟動(dòng)時(shí)間要求高的產(chǎn)品。第三種方式綜合了前兩種的優(yōu)點(diǎn)，但比第二種方式增加了FLASH的成本。

2.3 幾種方式的對(duì)比

對(duì)于同樣大小的配置文件，選擇不同的配置模式，配置電路設(shè)計(jì)和配置時(shí)間會(huì)大不相同。常用配置模式比較如表1所示，選擇配置模式時(shí)考慮的因素有整體設(shè)置、速度、成本、程序升級(jí)復(fù)雜性和應(yīng)用場合等。

表1 配置模式比較

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的配置系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)圖1搭建了系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)。MCU采用兆 易 的MCU（GD32F450），F(xiàn)PGA采 用2片 安路公司的AL3A10BGA256，F(xiàn)LASH采用兆易公司的GD25Q64CSIG。選擇文件為bit文件，采用Flow Through級(jí)聯(lián)方式，JTAG下載時(shí)鐘選擇1M時(shí)鐘。配置文件大小分別為285 kB和292 kB，MCU選用配置時(shí)鐘為800 kHz，采用FLASH加載方式，用示波器實(shí)測加載時(shí)間為2 069 ms和2 105 ms（計(jì)算加載時(shí)間為2 280 ms和2 336 ms）。選擇MCU的配置方式，配置時(shí)間為81 s（這里MCU啟動(dòng)到加載FPGA約為70 s），根據(jù)配置結(jié)束后的在線示波器采樣的信號(hào)時(shí)序，F(xiàn)PGA的DONE引腳拉高，配置成功。

4 結(jié) 語

隨著國產(chǎn)FPGA被越來越多的使用，設(shè)計(jì)中對(duì)多片F(xiàn)PGA加載方式也提出了更高要求。本文提出了典型國產(chǎn)FPGA加載的幾種方案，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況，靈活選擇不同的加載方式，使得FPGA的配置加載更靈活可靠。本文提出的設(shè)計(jì)方案在實(shí)際使用時(shí)具有一定的參考意義，同時(shí)本方案經(jīng)過實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)，證明了安全性和可行性。