FPGA的串行加载模式

### FPGA的串行加载模式详解 #### 一、引言 随着集成电路技术的发展，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)作为一种高度灵活的可编程逻辑器件，在数字信号处理、通信、图像处理等领域得到了广泛应用。XILINX公司的Spartan-II系列FPGA因其高性能与低成本的优势，受到了许多设计者的青睐。本文将详细介绍XILINX的FPGA串行加载模式，特别是针对Spartan-II系列FPGA的串行主模式和串行从模式，包括硬件电路连接、配置选项设置以及FPGA加载流程等内容。 #### 二、FPGA串行加载模式概述 FPGA的配置模式由配置功能引脚M0、M1、M2的电平状态决定。当这些引脚的电平信号分别为000/001时，FPGA处于串行主下载模式；当信号为010/011时，为并行从下载模式；当信号为100/101时，为边界扫描模式；当信号为110/111时，则处于串行从下载模式。其中，本文重点关注的是串行主模式和串行从模式。 #### 三、串行主模式 ##### 3.1 硬件配置 在串行主模式中，通常会使用一个外部存储器（如PROM XC18V01）来存储FPGA的配置数据。外部存储器通过串行接口与FPGA相连，数据通过该接口被加载到FPGA内部的配置存储器中。 ##### 3.2 加载流程 - **启动阶段**：当FPGA上电后，确认配置开始时，会将DONE管脚拉低，进入配置存储器清除阶段。 - **清除阶段**：如果INIT管脚被拉低，则开始清除FPGA的配置存储器。此时，INIT管脚将保持低电平状态，直到配置存储器清除完成。 - **延迟配置**：为了延迟配置过程，可以将PROGRAM和INIT管脚保持在低电平状态，这将使FPGA停留在配置存储器清除阶段。 - **配置模式选择**：当INIT管脚信号由低变高时，FPGA会检测模式选择管脚M0、M1、M2，并确定采用哪种下载模式。 ##### 3.3 配置选项设置 - **M0、M1、M2管脚配置**：通过设置这三个管脚的电平状态来选择串行主模式。 - **电源条件**：确保Vccint（内核电源）和Vccaux（管脚电源）达到相应的电压水平（例如Vccint=1.8V, Vccaux=1.5V），这是FPGA配置的前提条件。 #### 四、串行从模式 ##### 4.1 硬件配置 在串行从模式下，FPGA不使用外部存储器来保存配置数据，而是直接通过JTAG接口或专门的串行接口从PC机或其他设备接收配置数据。 ##### 4.2 加载流程 - **启动阶段**：与串行主模式类似，当FPGA上电后，会将DONE管脚拉低，进入配置存储器清除阶段。 - **清除阶段**：如果INIT管脚被拉低，则开始清除FPGA的配置存储器。 - **配置模式选择**：当INIT管脚信号由低变高时，FPGA会检测模式选择管脚M0、M1、M2，并确定采用串行从模式。 - **数据传输**：通过JTAG接口或专用串行接口直接将配置数据发送到FPGA内部的RAM中。 ##### 4.3 配置选项设置 - **M0、M1、M2管脚配置**：通过设置这三个管脚的电平状态来选择串行从模式。 - **电源条件**：同样需要确保Vccint和Vccaux达到相应的电压水平。 #### 五、总结 FPGA的串行加载模式是实现FPGA配置的重要手段之一，尤其对于XILINX的Spartan-II系列FPGA来说，串行主模式和串行从模式提供了灵活且高效的配置解决方案。通过合理选择配置模式和正确设置硬件电路，可以极大地提高系统的调试效率和可靠性。在实际应用中，根据不同的应用场景选择合适的串行加载模式，能够更好地发挥FPGA的优势，满足各种复杂系统的设计需求。