FPGA配置芯片邏輯固化設(shè)備的研究與實(shí)現(xiàn)

馬萌 葉關(guān)山

摘 要：本文針對(duì)傳統(tǒng)邏輯固化方式的瓶頸，提出了配置芯片邏輯固化設(shè)備的高效方案及實(shí)現(xiàn)方法，并通過對(duì)比分析，采用本方案生產(chǎn)效率可得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：FPGA;邏輯固化;配置芯片

中圖分類號(hào)：TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0051-02

0引言

FPGA的使用需要將邏輯固化于存儲(chǔ)器，按照存儲(chǔ)器的位置Xilinx的FPGA可大致分為存儲(chǔ)器內(nèi)置和存儲(chǔ)器外置兩類。存儲(chǔ)器內(nèi)置的FPGA包括早期的95144、95288等，以及當(dāng)前廣泛使用的XC3S400AN、XC4VLX25等，存儲(chǔ)器外置FPGA包括早期的XQ4010+XC17256（SM1701）、XCV600/XQV300+XQ18V04，以及當(dāng)前廣泛使用的XC5VFX200T/XC6VHX380T+XCF128XFT。事實(shí)上，這類外置的存儲(chǔ)器可以稱作FPGA配置芯片，邏輯即固化于這類芯片。

邏輯固化的方式一般采用JTAG接口連接。對(duì)于存儲(chǔ)器內(nèi)置的FPGA，可直接連接JTAG接口進(jìn)行固化，對(duì)于存儲(chǔ)器外置的FPGA需要根據(jù)存儲(chǔ)芯片的特性采取不同的方式。對(duì)于18v04這類有外接JTAG接口的芯片，可直接連接JTAG;對(duì)于XCF128XFT這類沒有外接JTAG接口的芯片，需要經(jīng)由FPGA通過SPI/BPI的方式連接。

配置芯片的邏輯固化耗時(shí)過長(zhǎng)已成為制約生產(chǎn)效率的重要問題，而JTAG接口正是造成這一問題的瓶頸。本文以廣泛使用的配置芯片XCF128XFT為例，提出了配置芯片邏輯固化設(shè)備的高效方案。

1固化設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案

1.1 固化設(shè)備原理

本文提出的配置芯片邏輯固化設(shè)備設(shè)計(jì)方案，采用FPGA作為主控單元，千兆以太網(wǎng)作為固化設(shè)備與PC機(jī)的接口，對(duì)待配置的PROM，采用16bit并行接口。

設(shè)備分為上位機(jī)軟件、固化設(shè)備硬件兩大部分，設(shè)備硬件又可分為固化硬件、IC測(cè)試座兩部分。

1.2 FPGA單元設(shè)計(jì)

FPGA單元需要實(shí)現(xiàn)的功能包括以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)接口的初始化配置和傳輸控制;

（2）完成配置數(shù)據(jù)的緩存、接收和發(fā)送等任務(wù);

（3）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

FPGA單元的主要元器件為FPGA及外圍電路。固化設(shè)備需要高速處理配置流數(shù)據(jù)，完成千兆以太網(wǎng)接口的收發(fā)和PROM接口的控制，所以，高性能的FPGA是固化設(shè)備的最佳選擇。

在設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)劃選擇XILINX公司的28nm高性能低功耗的Kintex-7系列FPGA XC7K160T-2FBG676I作為系統(tǒng)的控制芯片。該系列FPGA設(shè)計(jì)在高端性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了最低的功耗，可提供高密度邏輯、高性能收發(fā)器、存儲(chǔ)器、DSP以及混合信號(hào)，通過這些功能可以提高系統(tǒng)級(jí)性能，并可以更緊密地進(jìn)行集成，非常適合本方案中高速數(shù)據(jù)的處理任務(wù)[1]。

XC7K160T-2FBG676I的主要參數(shù)如表1所示。

1.3 固化設(shè)備與PC機(jī)千兆網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)方法中，配置數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)瓶頸主要在于串行的JTAG接口，因此，為了從根本上提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，達(dá)到PROM芯片800Mpbs的最大工作帶寬，固化設(shè)備與PC機(jī)接口采用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

千兆以太網(wǎng)理論速度能夠達(dá)到1000Mbps，實(shí)際應(yīng)用中，有效數(shù)據(jù)的吞吐率完全可以達(dá)到800Mbps，很好地解決數(shù)據(jù)的傳輸瓶頸問題。

本方案中，千兆網(wǎng)接口模塊主要采用PHY芯片88E1111與FPGA直接相連，通過上電時(shí)FPGA對(duì)88E1111進(jìn)行配置，使其工作在RGMII模式。FPGA按照RGMII協(xié)議，產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)88E1111所需要的輸入信號(hào)，同時(shí)接收88E1111接收到的數(shù)據(jù)[2]。

PHY芯片88E1111工作在RGMII模式時(shí)所需要的輸入信號(hào)有發(fā)送時(shí)鐘、使能和數(shù)據(jù)。千兆網(wǎng)接口模塊的輸入輸出信號(hào)如圖1所示。

在程序的設(shè)計(jì)上，需要對(duì)輸入的8bit并行數(shù)據(jù)先送入FIFO進(jìn)行緩存，千兆網(wǎng)模塊在輸出時(shí)，先輸出幀頭，接下來是目的地址、源地址、接著在時(shí)鐘的上升沿輸出數(shù)據(jù)的低4位，下降沿輸出數(shù)據(jù)的高4位，每一幀輸出的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可由程序中的參數(shù)決定，最后輸出奇偶校驗(yàn)位。

方案中采用FPGA實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議，可以大大提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，具體的RGMII接口原理圖見圖2所示。

1.4系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

固化設(shè)備輸入電壓采用常用的12V供電，各個(gè)單元需要的電壓包括：FPGA接口電壓3.3V，核心電壓1.0V;以太網(wǎng)接口芯片接口電壓3.3V，核心電壓1.2V;PROM接口電壓3.3V，核心電壓1.8V。

針對(duì)這些電壓，采用凌特公司的四輸出芯片LTM4644實(shí)現(xiàn)。該芯片輸入電壓范圍為4V～14V，適應(yīng)范圍較寬;有4路相同技術(shù)參數(shù)的輸出通道，輸出電壓范圍為0.6V～5.5V，每路的工作電流可支持4A，完全滿足設(shè)計(jì)需求。

2性能分析與對(duì)比

首先，由于離線的方式對(duì)PROM進(jìn)行燒寫，固化設(shè)備專門用于燒寫PROM，I/O資源沒有太大的限制，因此，可以采用并行燒寫的方式。而產(chǎn)品中可以根據(jù)具體情況采用并行或串行的方式，在上電的時(shí)候，進(jìn)行配置數(shù)據(jù)的加載。

其次，采用千兆以太網(wǎng)接口傳輸PC機(jī)上的配置數(shù)據(jù)，千兆以太網(wǎng)理論速度能夠達(dá)到1000Mbps，實(shí)際應(yīng)用中，有效數(shù)據(jù)的吞吐率完全可以達(dá)到800Mbps。FPGA通過千兆以太網(wǎng)接口接收到這些數(shù)據(jù)后，將配置數(shù)據(jù)以并行的方式寫入PROM，并行讀寫的工作頻率為50MHz，保證了FPGA與PROM之間接口的帶寬為800Mpbs，與千兆以太網(wǎng)接口速度相近[3]，表2為本方案與傳統(tǒng)方案中，各接口與系統(tǒng)性能的對(duì)比。

本方案的設(shè)計(jì)保證了整個(gè)固化器的帶寬與PROM的最大帶寬相符，使系統(tǒng)不存在其它的瓶頸，相比于傳統(tǒng)的通過JTAG接口傳輸數(shù)據(jù)的方式，極大地提高了系統(tǒng)速度和燒寫效率。

由分析結(jié)果可見，本方案相比于在線的方式，效率提高了大約80倍。相比于現(xiàn)有的燒寫器，單套的效率也提高3倍。在較大批量的生產(chǎn)任務(wù)中，本方案固化設(shè)備所帶來的生產(chǎn)效率提升的效果會(huì)更加明顯。如果采用組網(wǎng)多臺(tái)固化設(shè)備同時(shí)燒寫的方式，更能夠成倍提高生產(chǎn)效率。

3結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)邏輯固化方式的瓶頸，提出的FPGA配置芯片邏輯固化設(shè)備的方案，較之傳統(tǒng)方式，具有高效率、高可靠、可擴(kuò)展的顯著優(yōu)勢(shì)，可大大提升邏輯固化水平。

參考文獻(xiàn)

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[3] 石雪梅，計(jì)賢春.FPGA配置芯片測(cè)試方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（9）：77-79+87.