-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)布時(shí)間：2010-12-7 13:00:59
-- 基于U盤(pán)和單片機(jī)的FPGA配置
引 言
FPGA廣泛應(yīng)用在電子通信領(lǐng)域，其安全性引起了注意，本文針對(duì)安全配置提出了解決方案。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmablc Gate Array)是基于門(mén)陣列方式為用戶(hù)提供可編程資源的，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)的形成是由配置數(shù)據(jù)決定的。采用在線(xiàn)可重配置方式ICR(In-Circuit Reconfigurability)將這些配置數(shù)據(jù)配置到FPGA內(nèi)部SRAM中，但由于SRAM的易失性，每次上電時(shí)，都必須對(duì)FPGA重新進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)編程所要實(shí)現(xiàn)的功能。
以前的設(shè)計(jì)大多是將配置數(shù)據(jù)存放在FPGA組成的系統(tǒng)上，本文提出將配置數(shù)據(jù)存放在使用者自己攜帶的外部存儲(chǔ)器(如可加密的U盤(pán))中。使用前將U盤(pán)接入FPGA組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)上電時(shí)由單片機(jī)控制讀出配置數(shù)據(jù)，再傳送給FPGA進(jìn)行配置。這樣做優(yōu)點(diǎn)很多：修改、升級(jí)簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)保密性強(qiáng)，安全性高；可多人分時(shí)使用同一硬件系統(tǒng)，同一硬件系統(tǒng)插入不同的配置U盤(pán)就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，可以方便地存儲(chǔ)大容量配置數(shù)據(jù)或多個(gè)配置數(shù)據(jù)文件等；同時(shí)，符合計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的熱點(diǎn)USB OTG(On The Go，移動(dòng)USB)技術(shù)趨勢(shì)，是具有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。
1 FPGA的配置方式和配置數(shù)據(jù)文件
1.1 FPGA的配置方式
以Altera公司的FPGA器件為例，有2類(lèi)配置下載方式：主動(dòng)配置和被動(dòng)配置。主動(dòng)配置方式是由FPGA器件主動(dòng)引導(dǎo)配置操作，從外圍專(zhuān)用配置芯片(如EPC4)中獲得配置數(shù)據(jù)的過(guò)程；被動(dòng)配置方式則是由外部計(jì)算機(jī)或控制器控制配置過(guò)程。
以Mercury、APEX 20K(2．5V)、ACEX 1K和FLEX10K系列FPGA為例，配置方式有：被動(dòng)串行PS(PasiveSerial)、被動(dòng)并行同步PPS(Passive Parallel Synchronous)、被動(dòng)并行異步PPA(Passive Parallel Asyn-chronous)和JTAG(Jont Test Action Group)等。具體配置方式由方式選擇引腳MSEL1和MSELO的邏輯電平組合決定。
基于SRAM LUT(查找表)結(jié)構(gòu)的FPGA采用在線(xiàn)可重配置方式ICR。以配置方式PS為例，可通過(guò)下載電纜南計(jì)算機(jī)直接對(duì)FPGA器件進(jìn)行配置。這種方法在設(shè)計(jì)調(diào)試時(shí)非常方便，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用巾是很不現(xiàn)實(shí)的。上電后自動(dòng)加載對(duì)FPGA器件進(jìn)行配置是實(shí)際必須的，有許多方法，例如專(zhuān)用配置芯片(如EPC4)配置、單片機(jī)控制配置、MAX3000A控制F1ash存儲(chǔ)器配置、PCI總線(xiàn)配置、Internet配置、PSD(Programmable System Devices可編程器件)配置等。
1.2 FPGA的配置數(shù)據(jù)文件
Altera公司的Quartus II開(kāi)發(fā)工具可以生成多種配置或編譯文件，用于不同配置方式。對(duì)于不同的目標(biāo)器件，編譯后開(kāi)發(fā)工具會(huì)根據(jù)指定的FPGA器件自動(dòng)生成“．sof(SRAM Object File)”和“．pof(Programmer ObjectFile)”配置文件�！�.sof”配置文件是由下載電纜將其下載到FPGA中的；“．pof”配置文件是存放在配置器件里的。用單片機(jī)配置時(shí)，要將“．sof”文件轉(zhuǎn)換成“．rbf(Raw BinaryFile)”文件，可打開(kāi)QuartusII的File菜單，單擊ConvertProgramming Fiks進(jìn)行轉(zhuǎn)換。配置文件的大小隨FPGA器件的不同而不同，例如EPFlOKlO的配置文件“．sof”和“．rbf”的大小為15KB。
2 單片機(jī)配置FPGA設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)配置FPGA的優(yōu)點(diǎn)
在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)控制配置FPGA，對(duì)于保密和升級(jí)，以及實(shí)現(xiàn)多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置和降低配置成本，都是很好的選擇。配置方式PS、PPS和PPA均可以用單片機(jī)控制配置。
由單片機(jī)和外部存儲(chǔ)器組成配置FPGA電路，將配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部存儲(chǔ)器，系統(tǒng)上電時(shí)再由單片機(jī)控制對(duì)FPGA進(jìn)行配置。也可將多個(gè)配置文件分區(qū)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，然后由單片機(jī)接收不同的命令，選擇讀取不同存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)配置到FPGA器件，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置，在線(xiàn)配置成多種不同的電路功能；代替了價(jià)格昂貴的不可擦寫(xiě)和可擦寫(xiě)配置芯片，降低了成本。
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