原创 控制FPGA上电、配置以及初始化时间

控制FPGA上电、配置以及初始化时间

      有些系统有上电顺序要求，这里要讨论的不是各种电源的上电顺序（电源上电顺序可以通过电源管理芯片实现），而是如何控制系统中不同主芯片开始工作的顺序。比如这么一个系统，硬件设计为PCI的插卡，板卡主要包含ETX(或者x86等CPU)以及FPGA，由于一般PCI接口通过FPGA来控制实现，所以如果系统上电后FPGA的配置、初始化时间太长势必影响到板卡CPU对于PCI总线接口的访问，而且大部分情况下系统要求CPU通过PCI卡对系统进行一些初始话等等配置的过程，如果FPGA“起来”太慢肯定会影响系统的配置。当然这个问题可以通过电源管理实现FPGA先上电、CPU后上电来解决，不过这里我想通过FPGA的内部的一些特性来试图解决这个问题。

        要解决这个问题首先要了解FPGA上电初始化过程，这里我们是以ALTERA的ArriaGX的AS模式来进行研究。

第一步控制POR时间        

       FPGA的AS配置主要分为三个过程：复位、配置和初始化过程。在配置之前，还有一个POR过程，即一上电FPGA经过一个POR后才开始整个配置流程。而POR的时间可以控制，通过控制PORSEL引脚控制POR的时间，当PORSEL接高时POR的时间大概是12ms，当PORSEL接低时POR的时间大概是100ms。

第二步控制配置、初始化时间

      POR之后，FPGA进入正常的配置过程。下面来详细研究这个三个过程，看看那些地方用户可以进行控制。

      首先，这复位过程是 在POR的时候就开始了，POR的时候nconfig和nstatus均为低电平，进入复位过程，POR结束后FPGA释放nconfig信号，nconfig信号被外部上拉电阻拉高，由此进入配置过程。

       其次配置过程，FPGA产生DCLK时钟，在该时钟的同步下FPGA向配置芯片发送配置命令或者地址以及读取配置数据。而DCLK可以有两种速度，一种20Mhz，另一种40Mhz，且对应的配置方式分别叫AS和Fast AS。只有容量EPCS16及以上的配置芯片支持Fast AS。所以通过提高DCLK时钟速率从而达到减少配置时间的目的。

     最后初始化过程，当所有的配置数据传输完毕以后，FPGA释放config_done信号，该pin被外部10K欧姆电阻上拉到高，FPGA是检测到CONFIG_DONE为高电平后进入到初始化过程。FPGA的初始化时钟源有两种选择，一种是FPGA内部产生DCLK的晶体分出的一个10Mhz的时钟，另一个是通过CLKUSR引脚控制可选时钟。默认情况下FPGA采用内部10Mhz时钟作为初始化时钟，如果要采用第二种时钟，则首先要做QII软件中使能Enable user-supplied start-up clock (CLKUSR) 选项（Settings->Device->Device and pin options...->General->本选项），如下图所示：

当上面可选项被使能以后CLKUSR引脚将作为FPGA初始化时钟源，用户可以在外部给该引脚提供一个时钟用来控制初始化时间。在这种情况下FPGA总共需要299个时钟周期完成初始化，CLKUSR支持最高时钟是100Mhz。Altera没有提供默认情况下初始化的时间（即官方没有提供默认情况下经过多少个10Mhz时钟周期完成初始化），所以一般使能CLKUSR是用来推迟FPGA退出初始化的时间，这里是研究能否通过CLKUSR来减少FPGA的初始化时间，这就必须要求我们获得Altera的官方的默认情况下FPGA的初始化时间。

下图是AS配置模式时序图：

关于上图中初始化时间即tcd2um在配置手册上有一个表里有最大和最小数据分别是100和20，但是该表没有单位，参考PS模式相应的参数，应该是us。也即默认情况下初始化时间最少也要20us，那么使能CLKUSR后初始化最小时间是多少呢？给出公式如下：

tCD2CU + (299 ×CLKUSR period)

上式中tCD2CU为从CONFIG_DONE变高到CLKUSR被使能的时间，手册上AS模式下给出的时间是100ns，所以上式最小值应该是100+299x10=3090ns，即不到4us。

     上面讨论的是如何减少FPGA的配置、初始化时间，当然有些应用场合可能需要增加该时间，同样通过以上反过程可以达到目的。