FPGA上電時序加載過程詳解

目前，大多數FPGA芯片是基于 SRAM 的結構的， 而 SRAM 單元中的數據掉電就會丟失，因此系統上電后，必須要由配置電路將正確的配置數據加載到 SRAM 中，此后 FPGA 才能夠正常的運行。

常見的配置芯片有EPCS 芯片 （EPCS4、EPCS8、EPCS16、EPCS64、EPCS128），還有通用的串行 SPI FLASH 芯片如 M25P40、 M25P16、 W25Q16 等。

配置(configuration)是對FPGA的內容進行編程的過程。每次上電后都需要進行配置是基于SRAM工藝FPGA的一個特點，也可以說是一個缺點。FPGA配置過程如下：

2.FPGA配置方式

根據FPGA在配置電路中的角色，可以將配置方式分為三類：

1.FPGA主動串行(AS)方式

2. JTAG方式

3. FPGA被動(Passive)方式

3.FPGA配置過程

FPGA的配置包括3各階段：復位、配置和初始化。

FPGA正常上電后，當其nCONFIG管腳被拉低時，器件處于復位狀態，這時所有的配置RAM內容被清空，并且所有I/O處于高阻態，FPGA的狀態管腳nSTATUS和CONFIG_DONE管腳也將輸出為低。當FPGA的nCONFIG管腳上出現一個從低到高的跳變以后，配置就開始了，同時芯片還會去采樣配置模式（MSEL）管腳的信號狀態，決定接受何種配置模式。

隨之，芯片將釋放漏極開路（open-drain）輸出的nSTATUS管腳，使其由片外的上拉電阻拉高，這樣，就表示FPGA可以接收配置數據了。在配置之前和配置過程中，FPGA的用戶I/O均處于高阻態。

在接收配置數據的過程中，配置數據由DATA管腳送入，而配置時鐘信號由DCLK管腳送入，配置數據在DCLK的上升沿被鎖存到FPGA中，當配置數據被全部載入到FPGA中以后，FPGA上的CONF_DONE信號就會被釋放，而漏極開路輸出的CONF_DONE信號同樣將由外部的上拉電阻拉高。因此，CONF_DONE管腳的從低到高的跳變意味著配置的完成，初始化過程的開始，而并不是芯片開始正常工作。

INIT_DONE是初始化完成的指示信號，它是FPGA中可選的信號，需要通過Quartus II工具中的設置決定是否使用該管腳。在初始化過程中，內部邏輯、內部寄存器和I/O寄存器將被初始化，I/O驅動器將被使能。

當初始化完成以后，器件上漏極開始輸出的INIT_DONE管腳被釋放，同時被外部的上拉電阻拉高。這時，FPGA完全進入用戶模式，所有的內部邏輯以及I/O都按照用戶的設計運行，這時，那些FPGA配置過程中的I/O弱上拉將不復存在。不過，還有一些器件在用戶模式下I/O也有可編程的弱上拉電阻。在完成配置以后，DCLK信號和DATA管腳不應該被浮空（floating）,而應該被拉成固定電平，高或低都可以。

4.FPGA配置模式選擇

用戶可以通過設置FPGA上的MSEL0、MESL1兩個引腳的狀態來選擇配置方式。各種方式的MSEL0、MESL1設置如下表所列：

說明：

在上表中，如果只采用一種配置方式，則可以直接將MSEL0、MESL1連接到VCC（注意要與FPGA的IO口的供電VCCIO相同）或GND；

如果需要多種配置方式，那么MSEL要用控制器（單片機、CPLD等）來控制以進行切換；

MSEL管腳在配置開始前必須處于一個固定的狀態，因此不能將MSEL管腳懸空。

5.主動串行配置

主動串行配置方式(AS)是將配置數據事先存儲在串行配置器件EPCS中,然后在系統上電時Cyclone IV FPGA通過串行接口讀取配置數據（如果是壓縮數據，還會進行解壓縮處理）對內部的SRAM單元進行配置。

因為上述配置過程中FPGA控制配置接口，因此通常稱為主動配置方式。在配置期間，Cyclone IV用過串行接口來讀配置數據，來對里面的SRAM編程。串行配置器件的四個接口包括，串行時鐘輸入DCLK，串行數據輸出DATA，低有效的片選信號NCE，串行數據輸入ASDI。

主動串行配置電路圖：

因為FPGA上的nSTATUS、CONFIG_DONE管腳都是開漏結構，所以都要接上拉電阻。FPGA的片選腳nCE必須接地。

6.JTAG配置

通過JTAG接口，利用Quartus II軟件可以直接對FPGA進行單獨的硬件重新配置。Quartus II軟件在編譯時會自動生成用于JTAG配置的.sof文件。

如果同時使用AS方式和JTAG方式來配置FPGA，JTAG配置方式擁有最高的優先級，此時AS方式將停止，而執行JTAG方式配置。

利用Quartus II軟件和USB Blaster等下載電纜可下載配置數據到FPGA。Quartus II軟件可以驗證JTAG配置是否成功。JTAG配置通過下載電纜使用SOF、Jam或者JBC文件直接對FPGA進行配置，這種配置方式只能用于調試階段，因為，掉電后FPGA中的配置數據將丟失。

7.被動串行配置

被動串行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。

本文介紹了以Altera型的FPGA芯片為例介紹了FPGA的上電過程，并描述了三種常見的配置模式，用戶可以根據不同的需求來采用對應的配置模式，每種配置模式下對應的配置數據類型也是不相同的。