FPGA固件存储方案

admin · 发表于 2019-6-13 16:16:24

2.3 FPGA设计的烧写与投产

[1.1.1 ]()[FPGA]()固件存储方案

Intel或Xilinx的FPGA芯片，使用的是基于SRAM结构的查找表，而SRAM的一大特性就是掉电数据会丢失，当使用JTAG将SRAM配置文件（.sof）配置到FPGA芯片中后，这些数据是直接存储在SRAM结构的查找表中的，因此，一旦芯片掉电，则SRAM中的数据将丢失，再次上电后，SRAM中将不再有有效的数据。而普通的MCU内部集成了片上程序存储器ROM，即使掉电后也能保存程序。这也就是常见的，使用JTAG下载SOF固件到FPGA中后，板子重新上电，则之前下载的固件又不在了的原因。

当系统设计完成并验证结束后，准备量产时，希望FPGA能够永久保持电路固件，即让FPGA上电后其查找表中就被写入有效的数据。但是又不能总是每次系统上电后就用JTAG去下载一次程序固件。因此，FPGA支持另外一种配置方式：主动串行配置（AS）。

所谓主动串行配置，就是在FPGA芯片外部放置一片能够掉电数据不丢失的存储器，例如最常见的EPCS、QFLASH、并口FLASH，来存储设计好的电路固件。而FPGA芯片内部，则设计了一个专用的硬件电路，在芯片刚上电时就主动去读取存储器中的固件，并配置到FPGA芯片的每一个SRAM中去。通过这样一种方式，可在不改变FPGA芯片SRAM工艺的查找表结构前提下，使得芯片每次上电后，都能获得有效的配置数据。外部存储电路配置信息的芯片称之为配置芯片。早前，原Altera公司规定只能使用其自己发售的EPCS芯片作为外部配置器件，该EPCS芯片实质就是一个SPI接口的串行FLASH芯片，只不过是经过了Altera的严格测试，性能优异。而近些年，随着芯片生产工艺的不断发展，很多其他厂家生产的SPI接口的FLASH芯片也能够达到EPCS的技术标准，因此Altera就放开了该限制，并指出可以使用其他芯片厂家生产的SPI接口的FLASH芯片代替EPCS。在芯路恒的AC620上就使用了一片华邦公司生产的16Mbit的串行FLASH芯片W25Q16来作为配置芯片。该芯片性能优异，性价比较高，完全能够达到EPCS的性能标准。[]()[]()

1.1.2 [Cyclone IV E FPGA]()固件烧写方案

当需要将设计好的配置固件固化到该器件中时，有两种方式。第一种方式，也就是传统的方式，是使用专用AS接口（与JTAG 10针接口独立）来直接烧写该配置芯片，该种方式需要在电路板上设置一个独立的AS接口，占用PCB板面积较大，使用起来不方便。第二种方式，也是现在流行的方式则是通过JTAG接口，经FPGA芯片间接烧写配置芯片，其电路如图 2.3‑1所示。AC620开发板没有设计独立的AS接口，因此只支持第二种烧写方式。

[图 ]()2.3‑1 JTAG接口电路图

[1.1.3 ]()[烧写文件JIC]()的产生

以下将对第二种烧写方式以一个实际例子来进行讲解说明。

1打开希望固化的FPGA设计工程，此处以本节的工程为例。

2在Quartus II软件中点击File—>Convert Programming Files，如图 2.3‑2所示：

[图 ]()2.3‑2 启动Convert Programming Files

3在弹出的窗口中，Programming file type 选择JTAG Indirect Configuration File(.jic)，Mode选择Active Serial，Configuration device选择EPCS16，File name默认是output_file.jic，这里，我们养成良好的习惯，将其改成工程名字：led_test.jic，如图 2.3‑3所示。

[图 ]()2.3‑3 转换配置

4在Input files to convert一栏中，点击Flash Loader一项，在右侧点击Add Device选项，如图 2.3‑4所示：

[图 ]()2.3‑4 转换选项

5在上一步弹出的选项卡中，选择Cyclone IV E下的EP4CE10（AC620开发板上的芯片为EP4CE10F17C8，可根据实际情况进行选择），然后点击OK，如下图 2.3‑5所示：

[图 ]()2.3‑5 选择器件

6.点击OK后会回到先前的配置页面，此时鼠标再次点击SOF Data，再点击右侧的Add File，如图 2.3‑6所示：

[图 ]()2.3‑6添加需要转换的sof文件

7.在弹出的窗口中，在工程生成的output files文件夹下找到“key_filter.sof”文件，点击Open，即可添加进来，如图 2.3‑7所示：

[图 ]()2.3‑7 添加需要转换的sof文件

8.点击Open后，回到配置页面，点击Generate按钮，如图 2.3‑8所示：

[图 ]()2.3‑8 生成jic文件

9.点击Generate按钮后，软件开始转换文件，转换成功后弹出成功提示窗口，如图 2.3‑9所示：

[图 ]()2.3‑9 生成jic文件成功

10.点击OK即可，然后close窗口。 [attach]1335[/attach] 11.打开Quartus II中的下载工具Programmer，将原有的sof文件移出，点击Add Files重新添加Output Files文件夹下的led_test.jic文件进来，勾选Programming/Configuration，如图 2.3‑10所示：

[图 ]()2.3‑10 下载jic文件

12.设置完成后，点击Start（确保此时下载器与开发板已经正确连接），则软件开始烧录固件，整个烧录时间大约花费20秒钟左右。

烧录完成后，此时固件已经保存在了配置芯片中，但是此刻FPGA还不能运行该固件，因为当前的固件是存储在配置芯片中的，并没有被配置到FPGA中，因此需要让FPGA主动执行一次从配置芯片中配置固件的过程，方法很简单，只需开发板断电后重新上电即可。

此时，使用杜邦线分别接触不同的电平值，就可以看到LED的状态发生变化。断电再上电，固件依旧保持，整个程序固化工作完成。

至此一个基本的FPGA设计开发流程介绍完毕，在后面的章节中会继续介绍FPGA[]()[开发流程中更多的细节问题]()

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