FPGA上电时序加载过程详解

目前，大多数FPGA芯片是基于 SRAM 的结构的， 而 SRAM 单元中的数据掉电就会丢失，因此系统上电后，必须要由配置电路将正确的配置数据加载到 SRAM 中，此后 FPGA 才能够正常的运行。

常见的配置芯片有EPCS 芯片 （EPCS4、EPCS8、EPCS16、EPCS64、EPCS128），还有通用的串行 SPI FLASH 芯片如 M25P40、 M25P16、 W25Q16 等。

配置(configuration)是对FPGA的内容进行编程的过程。每次上电后都需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点，也可以说是一个缺点。FPGA配置过程如下：

2.FPGA配置方式

根据FPGA在配置电路中的角色，可以将配置方式分为三类：

1.FPGA主动串行(AS)方式 

2. JTAG方式  

3. FPGA被动(Passive)方式

3.FPGA配置过程

FPGA的配置包括3各阶段：复位、配置和初始化。

FPGA正常上电后，当其nCONFIG管脚被拉低时，器件处于复位状态，这时所有的配置RAM内容被清空，并且所有I/O处于高阻态，FPGA的状态管脚nSTATUS和CONFIG_DONE管脚也将输出为低。当FPGA的nCONFIG管脚上出现一个从低到高的跳变以后，配置就开始了，同时芯片还会去采样配置模式（MSEL）管脚的信号状态，决定接受何种配置模式。

随之，芯片将释放漏极开路（open-drain）输出的nSTATUS管脚，使其由片外的上拉电阻拉高，这样，就表示FPGA可以接收配置数据了。在配置之前和配置过程中，FPGA的用户I/O均处于高阻态。

在接收配置数据的过程中，配置数据由DATA管脚送入，而配置时钟信号由DCLK管脚送入，配置数据在DCLK的上升沿被锁存到FPGA中，当配置数据被全部载入到FPGA中以后，FPGA上的CONF_DONE信号就会被释放，而漏极开路输出的CONF_DONE信号同样将由外部的上拉电阻拉高。因此，CONF_DONE管脚的从低到高的跳变意味着配置的完成，初始化过程的开始，而并不是芯片开始正常工作。

INIT_DONE是初始化完成的指示信号，它是FPGA中可选的信号，需要通过Quartus II工具中的设置决定是否使用该管脚。在初始化过程中，内部逻辑、内部寄存器和I/O寄存器将被初始化，I/O驱动器将被使能。

当初始化完成以后，器件上漏极开始输出的INIT_DONE管脚被释放，同时被外部的上拉电阻拉高。这时，FPGA完全进入用户模式，所有的内部逻辑以及I/O都按照用户的设计运行，这时，那些FPGA配置过程中的I/O弱上拉将不复存在。不过，还有一些器件在用户模式下I/O也有可编程的弱上拉电阻。在完成配置以后，DCLK信号和DATA管脚不应该被浮空（floating）,而应该被拉成固定电平，高或低都可以。 

4.FPGA配置模式选择

用户可以通过设置FPGA上的MSEL0、MESL1两个引脚的状态来选择配置方式。各种方式的MSEL0、MESL1设置如下表所列：

说明：

在上表中，如果只采用一种配置方式，则可以直接将MSEL0、MESL1连接到VCC（注意要与FPGA的IO口的供电VCCIO相同）或GND；

如果需要多种配置方式，那么MSEL要用控制器（单片机、CPLD等）来控制以进行切换；

MSEL管脚在配置开始前必须处于一个固定的状态，因此不能将MSEL管脚悬空。

5.主动串行配置

主动串行配置方式(AS)是将配置数据事先存储在串行配置器件EPCS中,然后在系统上电时Cyclone IV FPGA通过串行接口读取配置数据（如果是压缩数据，还会进行解压缩处理）对内部的SRAM单元进行配置。

因为上述配置过程中FPGA控制配置接口，因此通常称为主动配置方式。在配置期间，Cyclone IV用过串行接口来读配置数据，来对里面的SRAM编程。串行配置器件的四个接口包括，串行时钟输入DCLK，串行数据输出DATA，低有效的片选信号NCE，串行数据输入ASDI。

主动串行配置电路图：

因为FPGA上的nSTATUS、CONFIG_DONE管脚都是开漏结构，所以都要接上拉电阻。FPGA的片选脚nCE必须接地。

6.JTAG配置

通过JTAG接口，利用Quartus II软件可以直接对FPGA进行单独的硬件重新配置。Quartus II软件在编译时会自动生成用于JTAG配置的.sof文件。

如果同时使用AS方式和JTAG方式来配置FPGA，JTAG配置方式拥有最高的优先级，此时AS方式将停止，而执行JTAG方式配置。

利用Quartus II软件和USB Blaster等下载电缆可下载配置数据到FPGA。Quartus II软件可以验证JTAG配置是否成功。JTAG配置通过下载电缆使用SOF、Jam或者JBC文件直接对FPGA进行配置，这种配置方式只能用于调试阶段，因为，掉电后FPGA中的配置数据将丢失。

7.被动串行配置

被动串行PS配置方式是Altera Cyclone IV系列FPGA配置方式中比较常用的方式。但是，在工程应用中若采用这种配置方式，FPGA需要连接一个智能主机（比如复杂可编程逻辑器件CPLD/微控制单元MCU等）以给其提供配置时钟和配置数据。

在该配置方式下，智能主机在保证与存储配置数据的闪存通信无误的情况下，只需向FPGA提供一个DCLK信号和一个DATA0信号即可实现对FPGA的配置。另外，该DCLK信号还可以实现多种频率以满足用户对配置时间的需求，这是该配置方式的一大亮点。

本文介绍了以Altera型的FPGA芯片为例介绍了FPGA的上电过程，并描述了三种常见的配置模式，用户可以根据不同的需求来采用对应的配置模式，每种配置模式下对应的配置数据类型也是不相同的。