1. 引言

在當今復雜數(shù)字電路設(shè)計中，大多采用以"嵌入式微控制器+fpga"為核心的體系結(jié)構(gòu)此體系結(jié)構(gòu)中fpga配置效率和靈活性的差異影響了產(chǎn)品的開周期和產(chǎn)品升級的易施性。傳統(tǒng)的fpga配置方案(例如調(diào)試階段的專用下載電纜方式。成品階段的專用配置片方式)在成本、效率、靈活性方面都存在著明顯不足。針對這樣的實際問題，基于嵌入式微控制器與fpga廣泛共存于復雜數(shù)字系統(tǒng)的背景，借鑒軟件無線電"一機多能"的思想，提出了一種對現(xiàn)有傳統(tǒng)fpga配置方案硬件電路稍做調(diào)整并增加部分軟件功能。即可實現(xiàn)fpga動態(tài)配置的方案。本文將在介紹altera公司stratix系列fpga配置模式、fpga配置流程、增強型配置片內(nèi)部工作原理的基礎(chǔ)上給出利用epci6實現(xiàn)fpga動態(tài)配置的方案。并給出軟硬件接口電路。2 fpga配置方式可編程器件的配置方式分為主動配置和被動配置兩類。主動配置由可編程器件引導配置過程，被動配置則由外部處理器控制配置過程。 根據(jù)配置數(shù)據(jù)線數(shù)，器件配置可分為并行配置和串行配置兩類。串行配置以bit(比特)為單位將配置數(shù)據(jù)載人可編程器件：而并行配置一般以byte(字節(jié))為單位向可編程器件載入配置數(shù)據(jù)。被動配置根據(jù)配置數(shù)據(jù)與時鐘的關(guān)系可分為同步和異步兩種方式。

表1列舉了altera公司常用fpga(stratix、cyclone、apexⅱ、apex20k、mercury、ace xk、flexlok和flex6000)的配置方式。 3 fpga配置流程fpga的配置數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部sram單元中。由于sram掉電后配置數(shù)據(jù)會丟失，因此每次上電時必須重新將配置數(shù)據(jù)寫入sram中。這個過程稱為fpga的配置。fpga配置過程如圖1所示。表2為stratix配置引腳定義。

(1) 上電

上電過程中fpga內(nèi)部狀態(tài)機被復位，nsta-tus和conf_done引腳由fpga置為低電平，所有i/o引腳為三態(tài)且fpga內(nèi)部配置寄存器被清空。(2) 復位當nconfig或nstatus引腳為低電平時，fpga進入復位狀態(tài)。在此狀態(tài)下，fpga采樣msel引腳的電平值，以確定采用的配置方式。同時nstatus和conf_done引腳被拉低，所有i/o引腳三態(tài)并且fpga內(nèi)部配置寄存器被清空。 (3) 配置當nconfig為高電平，nstatus被fpga釋放并由外部上拉電阻拉為高電平后進入配置狀態(tài)。此狀態(tài)下配置數(shù)據(jù)在dclk時鐘的上升沿載入fp-ga。若正確接收所有配置數(shù)據(jù)(crc校驗無誤)。fpga釋放conf_done引腳且當其被外部上拉電阻拉高后進入初始化狀態(tài)。(4) 初始化此狀態(tài)下fpga內(nèi)部邏輯和寄存器被初始化：使能i/0緩沖，釋放init_done引腳(可選)。(5) 用戶模式在此狀態(tài)下fpga開始執(zhí)行用戶程序。4增強型配置片工作原理ahera公司增強型配置片支持在一塊配置片上進行多塊高密度pld(programmable logic de-vice)配置。配置片主要由兩大核心模塊構(gòu)成一控制器和flash存儲器。存儲空間除用于存儲配置數(shù)據(jù)外，未使用的部分可用于微處理器或pld的外部存儲器。下面將分別闡述增強型配置片的核心模塊。4.1增強型配置片控制單元控制單元由以下子模塊構(gòu)成：(1) 上電復位電路(por)在電源電壓未達到需要的穩(wěn)定電壓時此模塊將使配置片處于復位狀態(tài)。有兩種上電復位時間可選，100 ms,和2 ms,。配置片porsel引腳決定復位時間長短。此引腳為低電平時復位時間為100 ms，反之為2 ms。(2) 內(nèi)部振蕩器(iosc)內(nèi)部振蕩器有四種模式(四個不同頻率)，可通過編譯fpga代碼在ouatrusⅱ軟件中選擇。
(3) 時鐘分頻單元(cdu)時鐘分頻單元對內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時鐘或外部輸入時鐘進行分頻，得到配置片內(nèi)部系統(tǒng)時鐘sysclk和外部數(shù)據(jù)輸出時鐘dclk。其內(nèi)部有兩個分頻器，一個分頻器的分頻系數(shù)為n，產(chǎn)生dclk信號；另一個分頻器的分頻系數(shù)為m，產(chǎn)生sysclk信號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
上電后配置片默認采用內(nèi)部振蕩器中a模式，振蕩頻率為8 mhzo其中，一個分頻器分頻系數(shù)為1。另一個分頻器分頻系數(shù)為2。（4)壓縮引擎(pcu)增強型配置片支持數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)壓縮由quatrusⅱ軟件實現(xiàn)，解壓由壓縮引擎實現(xiàn)。