摘 要： 為了高效正確配置Altera Cyclone IV系列FPGA，詳細研究了該系列FPGA配置的引腳、方式、原理圖、過程、時序和數據格式等，并比較了各配置方式。同時，通過一個實際工程應用表明該系列FPGA配置方式的靈活多樣性。
關鍵詞： FPGA；Cyclone IV；配置方式；JTAG；主動串行；主動并行；被動串行；快速被動并行
現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）因其具有基于查找表技術、密度高、內部可用于時序邏輯的觸發器比較多、采用靜態隨機訪問存儲器SRAM（Static Random Access Memory）架構等優良特點而被廣泛應用在當今復雜數字系統設計中。FPGA能否啟動取決于它內部有無配置數據，而其配置數據被載入其中是通過編程技術以某種配置方式實現的。
編程技術有反熔絲、SRAM和Flash[1]3種形式。其中，反熔絲編程技術因其不能實現重配置的局限性而在當今編程技術中逐漸被淘汰。SRAM編程技術因其配置速度快、重配置能力強等優點而成為迄今為止在線調試最常用的配置技術，但是，由于SRAM的易失性，一旦FPGA芯片掉電，其內部的配置信息就立即全部丟失，所以為了使FPGA能啟動，就必須在FPGA每次上電時對其重新配置[2]。Flash編程技術可以長期存儲配置數據，所以即使FPGA掉電，它也可以在FPGA下次加電時根據用戶已經設計好的邏輯配置FPGA。一旦FPGA配置失敗，它就無法啟動，在這種情況下驗證FPGA內部邏輯正確與否也就根本不可能實現。因此，研究并掌握FPGA的配置方式及其工程應用是很有必要的。
1 Cyclone IV器件的配置方式
Altera Cyclone IV系列器件都有聯合測試行動組JTAG（Joint Test Action Group）配置方式；除此之外，從FPGA配置時所處的主從位置上劃分有主動配置方式和被動配置方式；從FPGA配置時每個配置時鐘周期所傳輸的配置數據位寬上又劃分有串行配置方式（1 bit）和并行配置方式（8/16 bit）。綜上所述，Altera Cyclone IV系列FPGA單獨的配置方式經排列組合后有主動串行AS（Active Serial）、主動并行AP（Active Parallel）、被動串行PS（Passive Serial）、快速被動并行FPP（Fast Passive Parallel）和JTAG這5種配置方式。
Altera Cyclone IV系列器件的配置方式眾多，用戶可根據需要自行選擇一種或多種配置方式，但是每次配置FPGA時只能使用一種配置方式，不可同時使用多種配置方式。其中，JTAG配置方式是配置優先級最高、最常用、最簡單的一種配置方式，而且它的選擇也與配置方式選擇引腳MSEL所設置的電平值無關，其他的配置方式都必須通過設置MSEL的電平值來確定。
1.1 復用配置引腳
除JTAG配置方式外，其他幾種配置方式都復用以下配置引腳。
?。?）配置方式選擇引腳——MSEL。MSEL的數據位寬取決于FPGA，不同型號的FPGA其MSEL的數據位寬也會有所不同，且不能被懸空。在設置MSEL信號的高低電平時還需注意器件所支持的配置電壓標準（3.3 V/3.0 V/2.5 V/1.8 V/1.5 V）和上電復位延遲時間（快速/標準兩種）[3]。例如，Cyclone IV GX50這種芯片，在AS配置方式下其MSEL[3：0]的電平值就可在3.3 V的配置電壓標準和標準上電復位延遲時間下設為1001，而在3.3 V的配置電壓標準和快速上電復位延遲時間下設為1101。
?。?）配置使能引腳——nCE。其為FPGA的配置使能引腳，低電平有效。若只有一片FPGA，則該引腳必須始終為低電平[3]。
（3）級聯時配置專用引腳——nCEO。它是多片FPGA級聯時的專用輸出引腳，FPGA配置完成后使其輸出低電平，從而驅動下一級FPGA的nCE引腳。
?。?）配置控制引腳——nCONFIG。其為控制配置過程的輸入引腳，其從高電平到低電平的轉換將復位FPGA；而從低電平到高電平的轉換將啟動芯片配置。
?。?）配置狀態引腳——nSTATUS。其為雙向開漏引腳，其上電時為低電平，當控制引腳由低變高時，其變為高電平從而進入配置階段。在配置過程中一旦其由高電平轉換到低電平就表示配置出錯，此時需要重新配置FPGA。
?。?）配置完成狀態引腳——CONF_DONE。其為雙向開漏引腳，配置完成狀態輸出引腳，高電平有效。在配置前和配置期間，FPGA將其驅動為低電平。當所有配置數據被無誤接收且初始化周期開始后，FPGA將其置為三態，因為其信號線上有上拉電阻存在，所以其又被上拉為高電平，此時表示配置成功。
?。?）配置時鐘引腳——DCLK。對于被動配置方式，FPGA采用外部源提供的時鐘輸入和時鐘數據；對于主動配置方式，FPGA為配置接口提供時序。
?。?）配置數據引腳——DATA。對于串行配置方式，使用DATA0引腳接收配置數據；對于并行配置方式，使用DATA[7：0]引腳接收配置數據。
1.2 AS配置方式
AS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中非常常用的方式，因其可由FPGA內部的晶振提供配置時鐘，不需要外部時鐘源再額外提供配置時鐘，所以簡化了配置電路，節省了配置成本。當然，配置時鐘也可由外部時鐘源通過芯片上的CLKUSR引腳提供，只是此時輸入到該引腳的最大頻率只能為40 MHz[3]。該配置方式下，FPGA與可擦除可編程配置存儲器（EPCS）需要連接DCLK、NCSO、ASDO（主動串行數據輸出）和DATA0這4個信號。DCLK信號給EPCS提供時鐘；NCSO信號為EPCS的片選信號（低電平有效）；ASDO信號向EPCS發送讀/寫命令和地址，以及寫數據；DATA0信號給FPGA傳輸配置數據。當EPCS被選中時，在FPGA的配置階段，EPCS在每一個DCLK周期向FPGA傳輸1 bit配置數據。配置結束后，這4個信號處于高阻狀態。但是，在該配置方式下，配置時鐘頻率比較低，因為當其由內部晶振提供時只有20 MHz和40 MHz兩種模式，當其由外部時鐘源提供時最大也只有40 MHz，所以當配置數據比較大時，需要的配置時間就比較多，這樣就有可能不滿足某些通信系統的時序要求，從而導致系統配置失敗。
AS配置方式下對EPCS編程又細分為3種方式。方式一，通過JTAG接口在Nios II中利用EPCS控制器實現對EPCS的編程，此時，最終編程數據格式為原始編程數據（rpd）格式；方式二，通過JTAG接口在Quartus II中利用串行Flash加載器SFL（Serial Flash Loader）實現對EPCS的編程，此時，最終編程數據格式為JTAG間接配置（jic）格式；方式三，通過AS接口在Quartus II中直接實現對EPCS的編程，此時，最終編程數據格式為編程對象文件（pof）格式。其中，前兩種方式只需在PCB上焊接一個JTAG接口，既可實現對EPCS的編程，又可實現對FPGA的在線配置調試；而后一種方式則需在PCB上焊接AS專用接口才可以實現對EPCS的編程。其配置原理圖如圖1所示。
1.3 AP配置方式
Altera Cyclone IV E系列FPGA具有AP配置方式，其配置時鐘僅由FPGA內部的晶振提供。該配置方式下，FPGA需與閃存連接的信號為：nRESET（控制閃存復位的信號）、DCLK（供給閃存的時鐘信號）、FLASH_nCE（片選閃存的信號）、nOE（控制閃存輸出的信號）、nAVD（地址有效信號）、nWE（給閃存的寫使能信號）、DATA[15..0]（傳輸配置數據的信號）和PADD[23..0]（地址信號）。當選中閃存時，在FPGA的配置階段，每一個DCLK周期閃存向FPGA傳輸16 bit配置數據。這種配置方式下編程閃存是通過FPGA的JTAG接口在Quartus II中利用并行Flash加載器PFL（Parallel Flash Loader）實現的，此時最終編程數據格式為pof格式。其配置原理圖如圖2所示。
1.4 PS配置方式
PS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中比較常用的方式。但是，在工程應用中若采用這種配置方式，FPGA需要連接一個智能主機（比如復雜可編程邏輯器件CPLD/微控制單元MCU等）以給其提供配置時鐘和配置數據。在該配置方式下，智能主機在保證與存儲配置數據的閃存通信無誤的情況下，只需向FPGA提供一個DCLK信號和一個DATA0信號即可實現對FPGA的配置。另外，該DCLK信號還可以實現多種頻率以滿足用戶對配置時間的需求，這是該配置方式的一大亮點。但是，這種配置方式需要首先配置智能主機，然后才能通過智能主機編程閃存，最后在配置階段智能主機才能把閃存內的配置數據傳輸到FPGA內，這樣就使得配置電路變得比較復雜，稍有不慎就會造成配置失敗，而且該配置方式必須有智能主機，這樣也就增加了配置成本。這種配置方式下，編程閃存是通過智能主機的JTAG接口在Quartus II中利用PFL實現的，此時，最終編程數據格式為pof格式。其配置原理圖如圖3所示。
1.5 FPP配置方式
FPP配置方式與PS配置方式類似，只是在FPGA與智能主機連接時，用來傳輸配置數據的數據線需連接DATA[7：0]，從而使得智能主機在配置階段的每一個DCLK周期向FPGA傳輸8 bit配置數據。其與PS配置方式相比，極大縮短了配置同一器件所需的配置時間，這就更能滿足用戶對某些系統配置時間的要求。這種配置方式下編程閃存也是通過智能主機的JTAG接口在Quartus II中利用PFL實現的，此時，最終編程數據格式也為pof格式。其配置原理圖與圖3非常相似，只是此時FPGA的配置數據總線為DATA[7：0]。
1.6 JTAG配置方式
JTAG配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中最常用的方式，它連接簡單、操作方便，廣泛應用于在線調試。該配置方式下，FPGA只需與JTAG插頭連接測試時鐘（TCLK）、測試模式選擇（TMS）、測試數據輸入（TDI）和測試數據輸出（TDO）這4個信號即可。若芯片只使用JTAG配置方式，則還須把芯片的nCONFIG引腳拉高，MSEL引腳接地，DCLK引腳和DATA0引腳根據PCB的方便接高或接低[3]。連接時須把TCLK下拉，以避免TCLK引腳上出現有效的上升沿而誤觸發對TMS和TDI的采樣；須把TMS引腳上拉，以便JTAG接口能進入旁路狀態，從而保證對FPGA的正常工作不造成任何影響；須把TDI引腳上拉，以便在FPGA正常工作時使JTAG接口能可靠地處于旁路狀態[4]。這種配置方式下，FPGA不能長期保存配置數據，一旦FPGA掉電，其內部的配置信息就會丟失，在沒有其他配置方式的支持下，FPGA就會永久無法啟動，除非通過JTAG接口再次對FPGA芯片進行配置，此時，配置數據格式為靜態存儲器對象文件（sof）格式。其配置原理圖如圖4所示。
1.7 配置過程及配置時序
整個配置過程為：FPGA上電后，nCONFIG信號先置低以使芯片復位，然后再置高以啟動芯片配置，當nSTATUS信號由低變高后，芯片就進入配置階段并開始傳輸配置數據；當配置數據傳輸完成后，CONF_DONE信號變高，標志配置階段完成，然后進入初始化階段；當INIT_DONE信號變高時，標志初始化階段完成，接著進入用戶模式。配置時序如圖5所示。
2 Cyclone IV系列在工程中的配置應用
圖6為基于Nios II處理器的數據加密卡系統的配置電路原理圖。Nios II處理器為Altera公司FPGA的軟核，是該系統的控制核心。這里采用了JTAG、AS和FPP 3種配置方式的混合體。之所以有JTAG配置方式是因為它便于在系統編程和調試，而有FPP配置方式是為滿足系統對配置時間的需求，以提供可靠的保障。當系統采用AS配置方式時，配置數據從EPCS中讀?。划斚到y采用FPP配置方式時，配置數據從閃存中讀取。FPGA在系統上電后實際采用哪一種配置方式是由配置方式控制器決定的[5]。該系統采用Altera的EPM570（MAX II系列）CPLD作為配置方式控制器。FPGA通過預先編程在MAX II內的配置方式選擇控制電路選擇上電后實際采用的配置方式。本次設計配置方式選擇的依據是輸入到MAX II內的MSEL3信號的電平值。當MSEL3信號為高電平時，FPGA選擇AS配置方式；當MSEL3信號為低電平時，FPGA選擇FPP配置方式。
綜上所述，Altera Cyclone IV系列FPGA的配置方式靈活多變，用戶可在具體的工程中根據實際需要選用合適的配置方式。當今，隨著數字集成電路的發展，FPGA已成為復雜數字系統設計的主流之一，因此，掌握FPGA的配置方式及其工程應用是當代硬件工程師應具備的基本功。
參考文獻
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