第3章Xilinx FPGA电路原理与系统设计

FPGA器件基于SRAM结构来实现可编程特性，具有集成度高、逻辑功能强等特点，但掉电后编程信息立即丢失，芯片在每次加电时，都必须重新下载设计文件所生成的配置数据。正是这一特性使得用FPGA来实现数字系统时，不但能减小电路板的面积、缩短开发周期、提高系统运行的性，而且还可无限次重复擦写，能够完成数字系统的在线重配置，易于设备功能的更改和升级。因此，如何快速、高效地将配置数据写入目标器件，并且保障其在掉电后再次上电能自动地恢复配置，就成为整个系统的关键所在。目前，配置FPGA的方式有多种，可以通过JTAG口配置(一般用在调试过程)，可以通过PROM、Flash来配置，也可以通过CPU或者CPLD进行配置。本章主要介绍Xilinx FPGA常用配置电路的原理以及相应的软件操作。3.1FPGA配置电路FPGA配置电路可看成用户设计和硬件电路之间的连接纽带。随着制造工艺的发展和应用范围的扩展，FPGA配置电路呈现多元化发展，最终目的都是在一定的外部条件下，、快速地实现FPGA系统配置。只有正确地理解了配置电路，才能在实际开发中选择的解决方案。本节主要从宏观上介绍FPGA配置电路的组成、工作流程以及不同方式之间的差异。3.1.1Xilinx FPGA配置电路FPGA芯片是基于SRAM工艺的，不具备非易失特性，因此断电后将丢失内部逻辑配置。在每次上电后，都需要从外部非易失存储器中导入配置比特流。硬件配置是FPGA开发的最关键的一步，只有将HDL代码下载到FPGA芯片中，才能进而调试并最终实现相应的功能。完成FPGA配置，必须要有类似于单片机仿真器的下载电缆才能完成，典型的FPGA配置系统如图3-1所示。

图3-1FPGA配置系统组成

在FPGA配置系统中，编程软件由FPGA提供商提供，设计人员要掌握其操作方法； 下载电缆是固定的JTAG电路，只要将其连接在PC上以及目标板上即可； 只有目标板上的配置电路需要设计人员设计。其中，JTAG链路是器件编程的关键传输枢纽。因此JTAG链路的工作原理、FPGA的各种配置电路以及编程软件的操作是本章的重点内容。将配置数据从PC上加载到Xilinx FPGA芯片中的整个配置过程，可分为以下步骤。 1. 初始化通上电后，如果FPGA满足以下条件： Bank2的I/O输出驱动电压Vcc0_2大于1V； 器件内部的供电电压Vccint为2.5V，器件便会自动进行初始化。在系统上电的情况下，通过对PROG引脚置低电平，便可以对FPGA进行重新配置。初始化过程完成后，DONE信号将会变低。2. 清空配置存储器在完成初始化过程后，器件会将INIT信号置低电平，同时开始清空配置存储器。在清空完配置存储器后，INIT信号将会重新被置为高电平。用户可以通过将PROG或INIT信号(INIT为双向信号)置为低电平，从而达到延长清空配置存储器的时间，以确保存储器被清空。3. 加载配置数据配置存储器的清空完成后，器件对配置模式脚M［2:0］/M［1:0］进行采样，以确定用何种方式来加载配置数据。4. CRC错误检查器件在加载配置数据的同时，会根据一定的算法产生一个CRC值，这个值将会和配置文件中内置的CRC值进行比较，如果两者不一致，则说明加载发生错误，INIT引脚将会被置低电平，加载过程被中断。此时若要进行重新配置，只需将PROG置为低电平即可。5. START-UPSTART-UP阶段是FPGA由配置状态过渡到用户状态的过程。在START-UP完成后，FPGA便可实现用户编程的功能。在START-UP阶段中，FPGA会进行以下操作： (1) 将DONE信号置高电平，若DONE信号没有置高，则说明数据加载过程失败； (2) 在配置过程中，器件的所有I/O引脚均为三态，此时，全局三态信号GTS置低电平，这些I/O脚将会从三态切换到用户设置的状态； (3) 全局复位信号GSR置低电平，所有触发器进入工作状态； (4) 全局写允许信号GWE置低电平，所有内部RAM有效。整个过程需要8个时钟周期C0~C7。在默认的情况下，这些操作都和配置时钟CCLK同步。在DONE信号置高电平之前，GTS、GSR、GWE都保持高电平。如果选用JTAG配置电路，则所有操作都和JTAG电路的TCK保持同步。3.1.2Xilinx FPGA常用的配置引脚对于FPGA芯片而言，无论何种配置方式，都必须通过FPGA相应的引脚把设计加载到FPGA芯片中。和配置有关的引脚可以分为专用引脚和复用引脚两类，前者只能用于FPGA配置，而后者在配置过程结束后，还可当作普通I/O使用。专用的配置引脚有： 配置模式脚M［2:0］或者M［1:0］； 配置时钟CCLK； 配置逻辑异步复位PROG； 启动控制DONE及边界扫描TDI、TDO、TMS、TCK。非专用配置引脚有： Din、D0: D7、CS、WRITE、BUSY、INIT。当然，部分专用配置引脚在配置结束后也可作为普通引脚使用。例如，在Spartan-3A系列FPGA中，3个FPGA引脚M2、M1和M0用于选择配置模式，其配置说明如表3-1所示，M［2:0］的值在INIT_B输出变高后才有效。在FPGA配置完成后，M［2:0］可以作为普通I/O使用。

表3-1Spartan-3A配置模式选择以及特性

主串模式SPI模式BPI模式从并模式从串模式JTAG

模式配置引脚M［2:0］=UP=DOWN数据宽度单比特单比特字节宽度字节宽度单比特单比特

配置数据存储器类型Xilinx系列PROM标准SPI串行FLASHXilinx系列PROM或并行NOR FLASH外部CPU、MCU或Xilinx并行PROM外部CPU、MCU

配置时钟源FPGA提供FPGA提供FPGA提供CCLK引脚上的外部时钟TCK信号

配置所需引脚数813462180配置菊花链中的FPGA从串从串从并从并从串JTAG

是否需要额外配置主机否否否使用Xilinx并行PROM不需要，否则需要外部主机否

在Spartan-6系列FPGA中，配置模式引脚为M［1:0］的形式，只有M1和M0两个引脚。其基本原理和Spartan-3A系列FPGA中的M［2:0］一致，只是在具体选择内容上不同，如表3-2所示。

表3-2Spartan-6配置模式选择以及特性

配置模式M［1:0］总线宽度CCLK方向

主Serial/SPI011, 2, 4输出主SelectMAP/BPI008, 16输出JTAGxx1输入(TCK)从SelectMAP108, 16输入从Serial111输入

3.1.3Xilinx FPGA配置电路分类FPGA配置方式灵活多样，根据FPGA芯片是否能够主动加载配置数据分为主模式、从模式以及JTAG模式。典型的主模式都是加载片外非易失(断电不丢数据)性存储器中的配置比特流，读取配置数据所需的时钟信号(称为CCLK，通过FPGA芯片的CCLK引脚发出)由FPGA内部产生，且FPGA控制整个配置过程。从模式需要外部的主智能终端(如处理器、微控制器或者DSP等)将数据下载到FPGA中，写入数据的时钟(仍然通过CCLK引脚进入FPGA)由外围器件产生，其较大的优点就是FPGA的配置数据可以放在系统的任何存储部位，包括Flash、硬盘、网络，甚至在其余处理器的运行代码中。JTAG模式为调试模式，可将PC中的比特文件流下载到FPGA中，断电即丢失。此外，目前Xilinx还有基于Internet的、成熟的可重构逻辑技术System ACE解决方案。1. 主模式在主模式下，FPGA上电后，自动将配置数据从相应的外存储器读入到SRAM中，实现内部结构映射； 主模式根据比特流的位宽又可以分为： 串行模式(单比特流)和并行模式(字节宽度比特流)两大类。例如，主串行模式、主SPI Flash串行模式、内部主SPI Flash串行模式、主BPI并行模式以及主并行模式，如图3-2所示。2. 从模式在从模式下，FPGA作为从属器件，由相应的控制电路或微处理器提供配置所需的时序，实现配置数据的下载。从模式也根据比特流的位宽不同分为串、并模式两类，具体包括从串行模式、JTAG模式和从并行模式3大类，其概要说明如图3-3所示。

图3-2常用主模式下载方式示意图

图3-3常用的从模式下载方式示意图

3. JTAG模式在JTAG模式中，PC和FPGA通信的时钟为JTAG接口的TCLK，数据直接从TDI进入FPGA，完成相应功能的配置。目前，主流的FPGA芯片都支持各类常用的主、从配置模式以及JTAG，以减少配置电路失配性对整体系统的影响。在主配置模式中，FPGA自己产生时钟，并从外部存储器中加载配置数据，其位宽可以为单比特或者字节； 在从模式中，外部的处理器通过同步串行接口，按照比特或字节宽度将配置数据送入FPGA芯片。此外，多片FPGA可以通过JTAG菊花链的形式共享同一块外部存储器，同样一片/多片FPGA也可以从多片外部存储器中读取配置数据以及用户自定义数据。

3.2JTAG电路的原理与设计3.2.1JTAG电路的工作原理1. JTAG电路简介

JTAG(Joint Test Action Group)即联合测试行动小组。目前，JTAG已成为一种国际标准测试协议，主要用于各类芯片的内部测试。现在大多数高级器件(包括FPGA、MCU、DSP以及CPU等)都支持JTAG协议。标准的JTAG接口是4线接口： TMS、TCK、TDI以及TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出信号线。JTAG电路的功能模块如图3-4所示。

图3-4JTAG电路的内部结构示意图

JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP(Test Access Port，测试访问口)端口，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。此外，JTAG协议允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。此外，JTAG接口还常用于实现ISP(In-System Programmable，在线编程)，对Flash等器件进行编程。JTAG在线编程的特征也改变了传统生产流程，将以前先对芯片进行预编程再装到板上的工艺简化为： 先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。2. JTAG边界扫描电路边界扫描测试(Boundary Sean Test,BST)一般采用4线接口(在5线接口中，有一条为主复位信号)，也可以通过PC的RS-232接口就能模拟BST的功能。BST标准接口是用来对电路板进行测试的，可在器件正常工作时捕获功能数据。器件的边界扫描单元能够迫使逻辑追踪引脚信号，或从器件核心逻辑信号中捕获数据，和预期的结果进行比较，根据比较结果给出扫描状态，以提示用户电路设计是否正确。典型边界扫描测试电路的结构如图3-5所示。

图3-5JTAG链扫描结构示意图

边界扫描测试提供了一个串行扫描路径，遵守IEEE规范的器件之间的引脚连接情况。IEEE 1149.1标准所规定的BST结构为： 当器件工作在JTAG BST模式时，使用4个专用的I/O引脚和一个可选引脚TRST作为JTAG引脚。这4个专用I/O引脚为TDI 、TDO、 TMS 和TCK。所有JTAG引脚的核心功能如表3-3所示。3. JTAG电路时序JTAG电路的时序如图3-6所示，所有基于JTAG的操作都必须同步于JTAG时钟信号TCK。在TCK的上升沿读取或输出有效数据，有严格的建立、保持时间要求，且JTAG电路追求稳定性，因此一般情况下JTAG的时钟不会太高。

表3-3JTAG引脚说明

引脚名名称功 能 描 述

TDI测试数据输入引脚JTAG指令和测试编程数据的输入引脚，数据在TCK信号的上升沿时刻读入TDO测试数据输出引脚 JTAG指令和测试编程数据的串行输出引脚，数据在TCK信号的下降沿时刻读出； 如果数据没有输出，则处于三态TMS测试模式选择引脚 该数据引脚是控制信号，它决定了TAP控制器的转换； TMS信号必须在TCK上升沿之前建立，在用户状态下TMS信号应是高电平TCK测试时钟输入引脚 JTAG链路的时钟信号，直接输入到边界扫描电路； 所有操作都在其上升沿或下降沿时刻发生TRST测试复位输入引脚 用于异步初始化或复位JTAG边界扫描电路，低电平有效

图3-6JTAG电路的时序关系示意图

4. FPGA芯片中JTAG扫描电路的工作流程JTAG边界扫描测试由测试访问端口的控制器管理，只要FPGA上电后电压正确，且JTAG链路完整，则JTAG电路可立即正常工作，清空JTAG配置寄存器等待外界响应，整体流程如图3-7所示。

图3-7JTAG边界扫描流程示意图

TMS、TRST 和TCK引脚管理TAP控制器的操作，TDI和TDO为数据寄存器提供串行通道。TDI也为指令寄存器提供数据，然后为数据寄存器产生控制逻辑。对于选择寄存器、装载数据、检测和将结果移出的控制信号，由测试时钟(TCK)和测试模式(TMS)选择两个控制信号决定。在4线接口标准中，利用TDI、TDO、TCK、TMS 4个信号，它们合成为TAP测试处理端口(Test Access Port)； 测试复位信号(TRST，一般以低电平有效)一般作为可选的第5个端口信号。3.2.2Xilinx JTAG下载线下载线一端以JTAG的方式和FPGA/PROM芯片相连，另一端则通过USB/并口和计算机相连，为设计人员提供了由PC配置FPGA/PROM芯片的数据链路。本节介绍目前常用的Xilinx下载线，以及简易下载线的制作方法。

1. Xilinx下载线介绍根据下载线和PC连接方式的不同，可以将其分为USB下载线和并口下载线两大类。USB下载线速度快，稳定度高，当然价格也比较昂贵，目前Xilinx公司提供的USB下载线分为USB Ⅰ和USB Ⅱ。并口下载线根据下载速度的不同，可分为Parallel Cable Ⅳ(简称为PC4)和Parallel Cable Ⅲ两类(简称为PC3)： PC4可适用于Xilinx公司所有芯片，速度比PC3快8倍，价格大约为USB Ⅰ下载线的1/3； PC3采用简单的EPP模式，透传式实现，成本低廉，但下载速度缓慢，且不具备配置电压自适应的功能，已经不能用于Xilinx公司新型FPGA的开发，存在一定的应用局限性。无论哪种下载线，在FPGA端都具有标准的4根JTAG接口、电源引脚以及地(VCC、GND、TCK、TMS、TDI和TDO)，共6个信号端口，也被称为JTAG连接器。也有一种常见的10脚JTAG连接器，其中多了1个GND信号以及3根悬空信号(NC)。在实际工程中，有一条性能稳定的下载线，不仅能避免配置错误(如利用PC3并口下载线配置Spartan-6、Virtex-6等容量较大的芯片时失败概率非常高)，还能提高配置的成功率和时间(在实际中，完整正确的配置电路也不能保障每次配置都成功)。下面对Xilinx各种下载线的特点和性能进行简要总结，如表3-4所示，供读者参考。

表3-4Xilinx下载线性能的简要总结

USB下载线Parallel Cable Ⅳ下载线Parallel Cable Ⅲ下载线

器件编号HW-USB-GHW-PC4HW-PC3

连接目标USB 1.1或USB 2.0接口PC并口(DB25)PC并口(DB25)

支持的I/O电压1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V3.3V、5V工作电压需求USB总线供电总线供电或使用外部电源总线供电

硬件配置模式支持Xilinx全系列配置模式支持Xilinx全系列配置模式支持Xilinx全系列配置模式

支持的操作系统Windows 2000/XP/Vista/7

Red Hat Enterprise Linux Workstation 3.0&4.0

SUSE Linux 9&10

支持的芯片所有的Xilinx FPGA、CPLD、PROM

目标较大时钟速率24Mb/s5Mb/s是否支持在系统编程支持支持支持

2. PC3并行下载的电路原理图首先对PC的打印接口进行简单介绍。PC上的打印接口共有25根连线(一般也称为DB25)，如图3-8所示。其中18~25都是地线，因此实际共有17根线，分成3类： 8根数据线，可进行数据输出； 5根状态线，作为输入； 4根控制线，作为输出。这3组线分别由打印口的3个寄存控制器控制，即数据口、状态口和控制口。只要对这3个寄存器读或写，就可以输入或输出数据。并口下载线主要完成PC并口和FPGA芯片JTAG接口之间的数据适配。Xilinx公司PC3并口下载电缆的原理图是公开的，结构简单，成本低廉，有兴趣的读者可以自己动手制作，在电子市场上则一般需要数十元。下载电缆的接口电路比较简单，简易连接关系见图3-8，制作时间非常短，半天时间即可。接口电路只完成了电平转换和简单的译码工作，不涉及信号时序的改变。其中74HC125为Philips公司生产的4输入三态驱动器，用来增强信号强度； LED用来给出下载信息指示。详细的元件清单如表3-5所示。下载线的供电由电路板供电，即由JTAG连接器的VCC提供，因此和电路板的距离不能太长，一般为20cm左右； 和并口连接端可以适当延长，但也不应当超过1m，一般选择50cm左右，否则容易发生下载错误。此外，肖特基二极管应选取低压降的管子，以保障下载线正常工作。