提出了由于FPGA容量的攀升和配置時間的加長，采用常規(guī)設(shè)計會導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效的觀點。通過詳細(xì)描述Xilinx FPGA各種配置方式及其在電路設(shè)計中的優(yōu)缺點，深入分析了FPGA上電時的配置步驟和工作時序以及各階段I/O 管腳狀態(tài)，說明了FPGA上電配置對電路功能的嚴(yán)重影響，最后針對不同功能需求的FPGA外圍電路提出了有效的設(shè)計建議。

　　1 引言

　　隨著半導(dǎo)體和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的FPGA集成了越來越多的可配置邏輯資源、各種各樣的外部總線接口以及豐富的內(nèi)部RAM資源，使其在國防、醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是FPGA 大多數(shù)是基于SRAM工藝的，具有易失性，因此FPGA 通常使用外部存儲器件（如PROM）存儲必需的配置信息，防止設(shè)備掉電后FPGA丟失自我配置能力。但FPGA配置在一定的條件和時間下才能成功完成，隨著FPGA容量的不斷攀升，配置時間也被大大加長，上電時如不充分考慮FPGA的配置時序以及對其他器件的影響，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗設(shè)計電路，往往會影響系統(tǒng)其他外圍器件的正常工作，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。因此，F(xiàn)PGA的配置方式和上電時序已成為系統(tǒng)設(shè)計的重要一環(huán)。

　　2 Xilinx FPGA的配置方式和特點

　　Xilinx FPGA支持多種配置方式，其中包括串行主模式（Master Serial）、串行從模式（Slave Serial）、并行主模式（Master SelectMAP）、并行8 位從模式（Slave Select MAP8）、并行32 位從模式（Slave Select MAP32），以及邊界掃描模式（JTAG），Virtex5器件后還增加了對SPI和BPI接口Flash的支持。

　　現(xiàn)在設(shè)計中通常用到的是串行主模式和并行主模式兩種配置方式，它們共同的特點是電路硬件設(shè)計時不需再接入一個配置時鐘，配置時由FPGA 自身提供時鐘，這樣減小了PCB設(shè)計難度以及時鐘帶來的時序干擾。但是它們也有各自的優(yōu)缺點。并行配置的電路設(shè)計相對復(fù)雜，需要使用到一些多功能的配置引腳，如果在復(fù)雜或高速的配置電路中還要考慮到數(shù)據(jù)線的阻抗匹配和等長，從而加大了PCB設(shè)計難度。因此，在選擇FPGA配置方式時需要根據(jù)外圍器件的上電初始化時間和受FPGA配置影響程度以及電路復(fù)雜特性等正確選擇，同時也需要對必要的配置管腳做相應(yīng)處理，后面會進(jìn)行詳細(xì)分析。表1為FPGA 重要的配置管腳和定義，可以看到，有些配置管腳在并行模式下才需要用到。

　　3 Xilinx FPGA上電配置時

　　FPGA和CPLD不同，上電不能直接工作，它需要一個配置過程。Xilinx FPGA需要經(jīng)過8個步驟才能運(yùn)行正常的運(yùn)行用戶邏輯，整個流程如圖1所示

　　3.1 FPGA上電啟動

　　FPGA工作的第一步就是給器件加電。Xilinx要求VCCINT（核心電壓）先動，然后再是VCCO（I/O電壓），最壞情況是它們之間不能相差1s以上。在并行配置模式下，VCCO_2 要求參考電壓必須和PROM參考電壓相同，上電的過程如圖2所示。其中，TPOR（Power-on-Reset）為5~30ms，T（PL）（Program Latency）為Maｘ 4ms，T（icck）（CCLK （output delay）為Min500ns。

　　在系統(tǒng)正常上電或者PROG-B是一個低脈沖時，F(xiàn)PGA開始配置寄存器空間。這段時間除定義好的配置管腳外，其他I/O 管腳均被設(shè)置為高阻態(tài)（High-Z）。經(jīng)多次測試，這個階段需要30ms左右的時間。

　　FPGA啟動階段最后一步就是配置啟動模式。在PROG-B變高時，F(xiàn)PGA 開始采集配置方式引腳（M3、M2、M1），并同時驅(qū)動CCLK輸出。在這個階段，有兩種方法可以延遲FPGA的配置時序，一種是拉低INIT-B管腳，這是由于FPGA檢測到自身還沒有初始化完畢，不會進(jìn)行接下來的操作步驟，直到INIT-B管腳變高。另一種就是拉低PROG-B管腳，使FPGA還處于等待配置狀態(tài)。

　　3.2 FPGA數(shù)據(jù)加載

　　FPGA 正常數(shù)據(jù)加載前，需要做一個器件與PROM之間的同步檢查。方法是傳輸一個特殊的32位數(shù)值（0ｘAA995566）到FPGA中，提示FPGA下面開始傳輸?shù)氖桥渲脭?shù)據(jù)。這個步驟對用戶來說是透明的，因為在Xilinx ISE Bitstream Generator 中生成的．bit文件中已經(jīng)自動加入了這個校驗碼。

　　在做完配置前的通信同步后，F(xiàn)PGA 與PROM之間還無法識別相互間是個什么器件，于是Xilinx 就給每一個型號的FPGA 設(shè)計了一個唯一的器件ID號，這個ID號可以在Xilinx 配置手冊中查到。如上述例子中用到的XC4VS35，其ＩＤ 號為0ｘ02088093。FPGA需要從PROM中讀出這個器件號和自身比對，如果相同就繼續(xù)下面的步驟，不同的話，配置失敗，并打印出配置故障信息。

　　所有準(zhǔn)備工作正常完成后，F(xiàn)PGA 開始載入配置文件。這一步對大多數(shù)用戶也是透明的，由器件自行完成。這也是配置過程中最耗時的步驟，時間從100ms到幾秒不等。這個過程中，F(xiàn)PGA 的所有可配置I/O根據(jù)HSWAPEN管腳的設(shè)置變?yōu)槿跎侠℉SWAPE=1）或者高阻態(tài)（HSWAPE=0）。這個階段的I/O管腳還沒有變?yōu)橛脩粜枰臓顟B(tài)，也最有可能影響到其他外圍電路的上電時序和運(yùn)行。設(shè)計硬件電路時要特別注意并采取必要措施，如加入上下拉電阻，改變器件加電順序等來盡量避免或減少FPGA配置時對電路其他器件的影響。

　　配置文件載入完成后，為了驗證數(shù)據(jù)的正確性，F(xiàn)PGA還自動設(shè)置了CRC校驗（這個在ISE配置選項中也可以去掉，但是為了確保載入數(shù)據(jù)的正確性，這個是必須選擇的）。如果CRC 校驗不正確，F(xiàn)PGA會自動把INIT-B拉低，放棄這次配置。用戶必須把PROG-B引腳拉低，才能進(jìn)行重新配置。
　

　　3.3 啟動序列

　　CRC校驗正確后，F(xiàn)PGA不會馬上執(zhí)行用戶的邏輯，它還要進(jìn)行一些自身內(nèi)部電路的配置，如DCM鎖定（DCMs to Lock）、全局寫信號使能（Global Write Enable）等，這些信號的啟動順序也是在ISE配置選項中設(shè)置的。必須的啟動序列為：釋放DONE引腳；釋放GTS信號，激活I(lǐng)O管腳；設(shè)置全局讀寫使能，使能內(nèi)部RAM和FIFOAssert；結(jié)束上電配置。

　　從上面論述可知，整個FPGA 的上電配置正常時序如圖3所示。

　　4 FPGA配置外圍電路設(shè)計沖突與解決方法

　　FPGA上電配置整個過程大約需要200ms~2s，這段時間其他外圍電路器件絕大部分都已經(jīng)上電并正常工作了，而FPGA 的通用I/O 管腳還處于弱上拉（HSWAPEN=0）或者不定態(tài)（HSWAPEN=1），設(shè)計時就需要考慮到這些器件上電初始化和FPGA通用I/O管腳有無時序沖突。例如：上電時，外圍器件要求I/O管腳都為低電平，而FPGA默認(rèn)是弱上拉，初始化電平產(chǎn)生了沖突；外圍器件要求在上電復(fù)位后馬上采集配置管腳進(jìn)行初始化，而FPGA還處在配置狀態(tài)，沒法正確上拉或下拉I/O管腳，器件初始化錯誤；外圍器件要求上電初始化前需要時鐘鎖相，F(xiàn)PGA配置時產(chǎn)生不了時鐘，導(dǎo)致器件初始化失敗等。解決這些沖突大致有3 種方法，但前提都是要正確配置HSWAPEN管腳。因為在FPGA執(zhí)行“器件上電”步驟后（5~30ms時間），它輸出的I/O管腳狀態(tài)是可以通過HSWAPEN設(shè)定的。

　　方法1：在FPGA 的I/O 管腳外加上下拉電阻，阻值在1~10kΩ之間，根據(jù)實際需要確定。FPGA在上電后10ms內(nèi)能通過上下拉電阻把I/O 管腳拉到用戶需要的電平上，這樣能解決上電較慢但是又要求固定電平的外圍電路，如功放發(fā)射開關(guān)和保護(hù)開關(guān)等。

　　方法2：FPGA可以在配置完成后產(chǎn)生一個全局復(fù)位信號，使外圍電路硬件復(fù)位，再進(jìn)行一次初始化操作。這樣能解決PowrerPC、ARM這種上電初始化很快（在100ms內(nèi)就能完成），而FPGA沒有配置完成，導(dǎo)致PowrerPC 初始化錯誤的問題。而且這種方式不用外接多余的上下拉電阻，減少了電路設(shè)計復(fù)雜性。

　　方法3：FPGA可以在配置完成后產(chǎn)生一個Power Good信號，系統(tǒng)根據(jù)此標(biāo)志再給外圍其他有時序要求的器件上電，這樣能解決DSP或者高速AD 這種需要時鐘鎖定后再進(jìn)行初始化的器件。

　　這三種方法也可根據(jù)具體情況混合使用，能達(dá)到更好的效果。

　　5 結(jié)論?

　　通過上述分析可知，F(xiàn)PGA上電是一個短暫而復(fù)雜的過程，設(shè)計時需要充分考慮FPGA上電配置時序和在這過程中I/O管腳的各種狀態(tài)對外圍電路的影響。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的具體情況，通過選用最合理的配置方式以及外圍電路連接，達(dá)到了既不影響其他器件性能和整個系統(tǒng)功能，同時又簡化和完善了整個電路設(shè)計的效果。