利用CPLD提高FPGA加载速度
李春雨1*，张丽霞2
【摘 要】摘 要:设备端的通信产品要求启动快，采用FPGA芯片时，加载时间要小于2 s，针对这个要求，介绍了企业中最常用的FPGA从串加载方案，提出了一种利用CPLD提高FPGA加载速度的方案，并就改进方案给出数据分析结果。该方案理论计算结果表明:当CPLD工作时钟33MHz时，加载Altera公司的EP3C120 FPGA，加载所需时间1.65 s。CPLD工作时钟提高，加载时间会大幅缩短，完全满足通信产品的要求，且该方案便于移植，可以应用于任何型号的FPGA加载。 【期刊名称】电子器件 【年(卷),期】2013(036)004 【总页数】4
【关键词】关键词:FPGA加载速度;CPLD;从串加载;工作时钟;占用资源;启动;DDR2
现场可编程门阵列FPGA常用来进行大数据量的处理，并且可以根据设计的需要灵活实现各种接口或者总线的输出，在设备端的通信产品中使用越来越广泛［1］。FPGA是基于SRAM结构的，每次上电时都需要重新加载程序，且随着FPGA规模的升级，加载程序的容量也越来越大，因此提高其加载速度是产品设计必须妥善解决的一个问题。本文介绍了通过CPLD对FPGA的加载方式的串行改进方式，满足通信系统的加载速度快，占用资源少的要求。并用Verilog HDL实现，在Modelsim中进行仿真和验证结果，在自行设计的时钟板上验证通过，而且可以扩展到所有类似系统中［2］。
1 配置方式介绍
FPGA的加载配置，大部分是将配置数据存放在FPGA组成系统的存储器件上，系统上电时由控制器读出配置数据再传送给FPGA进行配置［3］。
FPGA的配置方式最常用的有JTAG，从并，从串［4］3种，不同厂家叫法不同，但实现方式基本都是一样的。单板调试阶段常用JTAG模式，单板正式工作时通常采用从串或者从并方式。从并和从串模式各有优点，从并加载模式一个DCLK传送一个字节(8 bit)，因此速度快，但是占用FPGA管脚多，以Altera公司CycloneⅢ系列为例，从并模式(FPP)占用23个FPGA专用管脚，且这些管脚在不同的逻辑Bank内，当各Bank之间接口电平不同时，即连接到控制器的23个管脚电平就要各不相同，对控制器来说通常是难以实现的，在这种情况下从串就成为唯一的选择。
以Altera公司CycloneⅢ系列FPGA为例，与从串加载相关的管脚见表1［5］。 加载流程图如图1所示。
各种型号的FPGA从串加载英文名称虽然有些差异，但是加载流程基本如图1，每种型号的FPGA配置文件大小是固定的，和使用的逻辑资源多少无关，以CycloneⅢ系列的EP3C120为例，其大小是14.3 Mbit［5］。
2 从串加载方式的实现
2.1 以CPU作为FPGA加载控制器
CPU可以采用嵌入式微处理器［6］的GPIO口和FPGA的加载配置接口连接，框图如图2所示。
其缺点是DCLK也要由CPU GPIO口模拟，GPIO口的速度较慢，以RMI公司的XLS408为例，GPIO口模拟最大时钟2 MHz，如前面说EP3C120配置文
件14.3 Mbit，加载时间为7.15 s。如果基于主频较低的ARM7处理器，对于CycloneⅡ系列中的EP2C35，配置文件大小1.16 Mbyte，加载时间需要1.5 min 30 s［7］，对于时间比较敏感的通信产品来说，用户的体验就会很差，通常该加载时间要求小于2 s。
3 基于CPLD作为FPGA加载控制器的改进方案
3.1 改进方案介绍
采用基于DDR颗粒的CPLD作为控制器的方案，CPLD的IO管脚都可以约束到时钟信号上，只要CPLD内部的布线资源足够，输出的加载时钟可以跑到上百兆，写入CPLD的数据采用并行接口，大大提高FPGA加载速度。加载方案如下:
本方案中CPU采用RMI公司的XLS408，CPLD采用Lattice公司的 LCMXO1200，FPGA采用 ALTERA公司的CycloneⅢ EP3C120，DDR采用9片Hynix DDR2颗粒。
1号线表示，CPU通过16 bit localbus总线读取存储在Flash里的FPGA文件，并搬运到DDR里，这一步可以在加载前先做，不占用加载时间。
2号线表示，CPU读取DDR数据搬移到CPU内部缓存中，DDR接口速度较快，DDR2时钟 266 MHz，数据位宽64 bit，几乎不占用加载时间。
3号线表示，CPU通过8 bit localbus总线写到CPLD内部寄存器，而localbus总线是异歩并行总线，以MIPS系列CPU XLS408为例，XLS408工作时钟66.7 MHz，写总线周期最快需要10个工作时钟周期，即6.67 MHz，这一步受localbus总线速度限制。
4号线表示通过CPLD和FPGA之间的串行接口，写加载配置数据到FPGA中，
利用CPLD提高FPGA加载速度
