漫谈xilinx FPGA 配置电路

漫谈xilinx FPGA 配置电路
        这里要谈的时xilinx的spartan-3系列FPGA的配置电路。当然了，其它系列的FPGA配置电路都是大同小异的，读者可以类推，重点参考官方提供的datasheet，毕竟那才是最权威的资料。这里特权同学只是结合自己的理解，用通俗的语言作一点描述。
        所谓典型，这里要列出一个市面上最常见的spartan-3的xc3s400的配置电路。所有spartan-3的FPGA配置电路的链接方式都是一样的。Xc3s400是40万门FPGA，它的Configuration
Bitstream虽然只有1.699136Mbit，但是它还是需要2Mbit的配置芯片XCF02S，不能想当然的以为我的设计简单，最多用到1Mbit，那么我选XCF01S（1Mbit）就可以了。事实并非如此，即使你只是用xc3s400做一个流水灯的设计，那么你下载到ROM（XCF02S）里的数据也是1.699136Mbit的，所以对于FPGA的配置ROM的选择宜大不宜小。
        配置电路无非有下面五种：主串，从串，主并，从并，JTAG。前四种是相对于下载到PROM而言的（串并是相对于不同配置芯片是串口和时并口协议和FPGA通讯区分的），只有JTAG是相对于调试是将配置下载到FPGA的RAM而言的（掉电后丢失）。FPGA和CPLD相比，CPLD是基于ROM型的，就是在数据下载到CPLD上，掉电后不丢失。而FPGA则是基于RAM的，如果没有外部ROM存储配置数据，那么掉电后就丢失数据。所以FPGA都需要外接有配置芯片（当然现在也有基于FLASH的FPGA出现）。那么我们就来看一下主串模式下FPGA的配置电路的连接。
        官方的硬件连接如下：

        为了增加配置电路的可靠性，通常我们我们增加一些抗干扰的设计（如增加滤波电容、匹配电阻）：

        先看PROM芯片的各个管脚吧。18,19,20脚就不谈了，根据datasheet给供相对应的电平；3脚CLK是接了FPGA的CCLK，数据通信的同步就是通过FPGA的CCLK产生的时钟进行的；因为使用的芯片时串行的配置芯片，所以只有一个数据信号口DO,连接到FPGA的DIN口（上图没有画出），和上面的时钟信号协同工作完成串行数据传输，每当CLK的上升沿锁存数据，同时PROM内部的地址计数器自动增加；另外还有两条控制信号线时INIT（连接PROM的OE/RESET）和DONE（连接PROM的CE），OE/RESET是为了确保每次重新配置前PROM的地址计数器复位；关于CE脚，官方资料说得也不是很详细，以我个人的理解，CE应该是chip enable的缩写，从它和FPGA的DONE脚连接我们不难推断出，FPGA未配置完成时DONE=0，那么配置芯片PROM处于片选状态，而一旦配置完成DONE=1，那么PROM就不再被选通，同时datasheet也说到这个管脚可以直接接地，就是一直片选中，但是这样会使DATA口有持续的数据信号输出，同时导致不必要的电流消耗；CEO脚这里不接，因为它在多个PROM的配置电路中时作为下一个PROM的OE端信号连接用的；CF信号时连接FPAG的PROG_B接口的，它的作用就是产生开始配置信号，它连接了一个上拉电阻，如果PROG_B产生低电平脉冲则PROM会重新开始一次配置，所以我们会在这条线上接一个按键到地，如果按键按下那么就会使能PROM重新配置FPGA；还有几个信号接口TDI,TCK,TMS,TDO都是PROM和PC连接的信号，PC通过这些电路（通常接一片驱动隔离芯片后通过并口通信，这里不重点介绍了）下载数据到PROM中。
        上面谈及PROM的信号接口时都附带的谈到了FPGA的配置管脚。这里再做一些归纳性的说明。FPGA有7个专用的配置管脚（CCLK,DIN,PROG_B,DONE,HSWAP_EN,M0,M1,M2），4个专用的JTAG管脚(TDI,TCK,TMS,TDO)，这些管脚是由VCCAUX专门供电的（该系列FPGA通常接VCCAUX=2.5V）。FPGA的M0,M1,M2脚是进行配置模式选择用的，该电路主串模式下{M0,M1,M2}=000，如果时JTAG下载模式{M0,M1,M2}=101。上面没有提及的HSWAP_EN管脚接地，则是用于设置当FPAG处于配置状态下其它闲置管脚为上拉状态，而如果该管脚接高电平，则FPAG处于配置状态下其它闲置管脚浮空。所以为了减少FPGA配置过程的干扰，一般把此脚接地。

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