原创 FPGA配置学习笔记

FPGA配置学习笔记

                                                2012-10-04 西安

JTAG和AS下载电路图3和图4所示

图3 JTAG

图4 AS

FPGA配特殊引脚的含义

1.I/O, ASDO
在AS 模式下是专用输出脚，在PS 和JTAG 模式下可以当I/O 脚来用。在AS 模式下，这个脚是CII 向串行配置芯片发送控制信号的脚。也是用来从配置芯片中读配置数据的脚。在AS 模式下,ASDO 有一个内部的上拉电阻，一直有效，配置完成后，该脚就变成三态输入脚。ASDO 脚直接接到配置芯片的ASDI 脚（第5 脚）。

2.I/O,nCSO
在AS 模式下是专用输出脚，在PS 和JTAG 模式下可以当I/O 脚来用.在AS 模式下，这个脚是CII 用来给外面的串行配置芯片发送的使能脚。在AS 模式下,ASDO 有一个内部的上拉电阻，一直有效。这个脚是低电平有效的。直接接到配置芯片的/CS 脚（第1 脚）。
3.I/O,CRC_ERROR
当错误检测CRC 电路被选用时，这个脚就被作为CRC_ERROR 脚，如果不用默认就用来做I/O。但要注意，这个脚是不支持漏极开路和反向的。当它作为CRC_ERROR 时，高电平输出则表示出现了CRC 校验错误（在配置SRAM 各个比特时出现了错误）。CRC 电路的支持可以在setting 中加上。这个脚一般与nCONFIG 脚配合起来用。即如果配置过程出错，重新配置.
4.I/O,CLKUSR
当在软件中打开Enable User-supplled start-up clock(CLKUSR)选项后，这个脚就只可以作为用户提供的初始化时钟输入脚。在所有配置数据都已经被接收后，CONF_DONE 脚会变成高电平，CII 器件还需要299 个时钟周期来初始化寄存器，I/O 等等状态，FPGA 有两种方式，一种是用内部的晶振（10MHz），另一种就是从CLKUSR 接进来的时钟（最大不能超过100MHz）。有这个功能，可以延缓FPGA 开始工作的时间，可以在需要和其它器件进行同步的特殊应用中用到。
5.I/O,VREF
用来给某些差分标准提供一个参考电平。没有用到的话，可以当成I/O 来用。
6. DATA0
专用输入脚。在AS 模式下，配置的过程是：CII 将nCSO 置低电平，配置芯片被使能。CII然后通过DCLK 和ASDO 配合操作，发送操作的命令，以及读的地址给配置芯片。配置芯片然后通过DATA 脚给CII 发送数据。DATA 脚就接到CII 的DATA0 脚上。CII 接收完所有的配置数据后，就会释放CONF_DONE 脚（即不强制使CONF_DONE 脚为低电平），CONF_DONE 脚是漏极开路（Open-Drain）的。这时候，因为CONF_DONE 在外部会接一个10K 的电阻，所以它会变成高电平。同时，CII 就停止DCLK 信号。在CONF_DONE 变成高电平以后（这时它又相当于变成一个输入脚），初始化的过程就开始了。所以，CONF_DONE 这个脚外面一定要接一个10K 的电阻，以保证初始化过程可以正确开始。 DATA0,DCLK,NCSO,ASDO 脚上都有微弱的上拉电阻，且一直有效。在配置完成后，这些脚都会变成输入三态，并被内部微弱的上拉电阻将电平置为高电平。在AS 模式下，DATA0就接到配置芯片的DATA(第2 脚）。
7. DCLK
PS 模式下是输入，AS 模式下是输出。在PS 模式下，DCLK 是一个时钟输入脚，是外部器件将配置数据传送给FPGA 的时钟。数据是在DCLK 的上升沿把数据，在AS 模式下，DCLK脚是一个时钟输出脚，就是提供一个配置时钟。直接接到配置芯片的DCLK 脚上去（第6脚）。无论是哪种配置模式，配置完成后，这个脚都会变成三态。如果外接的是配置器件，配置器件会置DCLK 脚为低电平。如果使用的是主控芯片，可以将DCLK 置高也可以将DCLK 置低。配置完成后，触发这个脚并不会影响已配置完的FPGA。这个脚带了输入Buffer，支持施密特触发器的磁滞功能。
8. nCE
专用输入脚。这个脚是一个低电平有效的片选使能信号。nCE 脚是配置使能脚。在配置，初始化以及用户模式下，nCE 脚必须置低。在多个器件的配置过程中，第一个器件的nCE 脚要置低，它的nCEO 要连接到下一个器件的nCE 脚上，形成了一个链。nCE 脚在用JTAG编程模式下也需要将nCE 脚置低。 这个脚带了输入Buffer，支持施密特触发器的磁滞功能。
9. nCONFIG
专用的输入管脚。这个管脚是一个配置控制输入脚。如果这个脚在用户模式下被置低，FPGA就会丢失掉它的配置数据，并进入一个复位状态，并将所有的I/O 脚置成三态的。nCONFIG从低电平跳变到高电平的过程会初始化重配置的过程。如果配置方案采用增强型的配置器件或EPC2,用户可以将nCONFIG 脚直接接到VCC 或到配置芯片的nINIT_CONF 脚上去。这个脚带了输入Buffer，支持施密特触发器的磁滞功能。实际上，在用户模式下，nCONFIG信号就是用来初始化重配置的。当nCONFIG 脚被置低后，初始化进程就开始了。当nCONFIG脚被置低后，CII 就被复位了，并进入了复位状态，nSTATUS 和CONF_DONE 脚被置低，所有的I/O 脚进入三态。nCONFIG 信号必须至少保持2us。当nCONFIG 又回到高电平状态后，nSTATUS 又被释放。重配置就开始了。在实际应用过程中可以将nCONFIG 脚接一个10K 的上拉电阻到3.3V.
10. DEV_OE
I/O 脚或全局I/O 使能脚。在Quartus II 软件中可以使能DEV_OE 选项（Enable Device-wideoutput Enable)，如果使能了这一个功能，这个脚可以当全局I/O 使能脚，这个脚的功能是，如果它被置低，所有的I/O 都进入三态。
11. INIT_DONE
I/O 脚或漏极开路的输出脚。当这个脚被使能后，该脚上从低到高的跳变指示FPGA 已经进入了用户模式。如果INIT_DONE 输出脚被使能，在配置完成以后，这个脚就不能被用做用户I/O 了。在QuartusII 里面可以通过使能Enable INIT_DONE 输出选项使能这个脚。
12. nCEO
I/O 脚或输出脚。当配置完成后，这个脚会输出低电平。在多个器件的配置过程中，这个脚会连接到下一个器件的nCE 脚，这个时候，它还需要在外面接一个10K 的上拉电阻到Vccio。多个器件的配置过程中，最后一个器件的nCEO 可以浮空。如果想把这个脚当成可用的I/O，需要在软件里面做一下设置。另外，就算是做I/O，也要等配置完成以后。
13. nSTATUS
这是一个专用的配置状态脚。双向脚，当它是输出脚时，是漏极开路的。在上电之后，FPGA立刻将nSTATUS 脚置成低电平，并在上电复位（POR）完成之后，释放它，将它置为高电平。作为状态输出脚时，在配置过程中如果有任何一个错误发生了，nSTATUS 脚会被置低。作为状态输入脚时，在配置或初始化过程中，外部控制芯片可以将这个脚拉低，这时候FPGA就会进入错误状态。这个脚不能用作普通I/O 脚。nSTATUS 脚必须上拉一个10K 欧的电阻。
14. CONF_DONE
这是一个专用的配置状态脚。双向脚，当它是输出脚时，是漏极开路的。当作为状态输出脚时，在配置之前和过程中，它都被置为低电平。一旦配置数据接收完成，并且没有任何错误，初始化周期一开始，CONF_DONE 就会被释放。当作为状态输入脚时，在所有数据都被接收后，要将它置为高电平。之后器件就开始初始化再进入用户模式。它不可以用作普通I/O来用。这个脚外成也必须接一个10K 欧的电阻。
15. MSEL[1:0]
这些脚要接到零或电源，表示高电平或低电平。00 表示用AS 模式，10 表示PS 模式， 01是FAST AS 模式.如果用JTAG 模式，就把它们接00, JTAG 模式跟MSEL 无关，即用JTAG模式，MSEL 会被忽略，但是因为它们不能浮空，所以都建议将它接到地。
16 DEV_CLRn
I/O 或全局的清零输入端。在QuartusII 里面，如果选上Enable Device-Wide Reset（DEV_CLRn)这个功能。这个脚就是全局清零端。当这个脚被置低，所有的寄存器都会被清零。这个脚不会影响到JTAG 的边界扫描或编程的操作。

FPGA配置引脚的应用

对于FPGA应用而言需要知道如下几点就可以了。

1. nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE需要接10K的上拉电阻，nCE需要接10K的下拉电阻；

nCONFIG为配置控制专用输入引脚，置低FPGA丢失数据；nSTATUS为FPGA专用双向引脚，为0表示FPGA处于忙状态，释放后在上拉作用下为1,FPGA开始处于配置状态。

CONF_DONE专用配置双向脚，FPGA配置时为0，配置完成后，释放，在外部上拉的作用下为1。nCE配置使能专用输入引脚。在配置，初始化以及用户模式下，nCE 脚必须置低。

1. MSEL为模式配置引脚；
2. TDI、TMS接10K的上拉电阻，TCK接10K的下拉电阻，用于JTAG；
3. ASDO、nCSO、DCLK、DATA0用于FPGA与配置芯片的通信，内部有弱上拉无需外加电阻上拉。
4. 时钟引脚只能输入，不能输出。

6、上拉/下拉电阻作用:

　　1）保证电路的初始值.比如TCK信号采用下拉电阻.为什么采用下拉电阻,而不采用上拉电阻呢?因为下拉电阻使TCK信号的初始值为0,由于是时钟信号,可以保证时钟信号在初值后第一个边沿为上升沿,而JTAG控制电阻正是以TCK的上升沿向FPGA内部写配置数据的.

　　2）这里的上/下拉电阻仅仅属于推荐值,并非确定值,目的是保证信号质量.以上拉电阻为例,如果上拉电阻为10K以上,由于管脚对地有一个等效电容,由于T=RC,C由器件的工艺决定,电阻越大,充放电时间越长,信号的上升沿就越缓慢,斜率就越小.上升时间如果超过JTAG控制电路的要求,向FPGA内部写数据就可能出错.那么,如果上拉电阻越小呢?会不会上升时间变小呢?是的.电阻变小,上升时间变小,斜率变大,但是却带来了另一个严峻的问题,如果电阻小到一定程度,信号将在上升沿出现上冲现象,情形严重时会出现信号的振铃.如果电阻太小,产生的倒灌电流超过器件IO的容限,JTAG控制电路会烧坏.那么,这个电阻究竟多大才满足一般PCB的要求呢?一般情况使用4.7K.

3）保证信号的驱动能力.前面提到,电阻越小,信号的斜率越小,同时信号的驱动能力越强.电阻越大,信号斜率越大,同时信号的驱动能力越弱.这一点在JTAG菊花链电路中有及其重要的重要.