引 言
在當今變化的市場環境中，產品是否便于現場升級，是否便于靈活使用成為產品能否進入市場的關鍵因素。在這種背景下，Altera公司的基于SRAM LUT結構的FPGA器件得到了廣泛的應用。雖然這些器件應用廣泛，但由于其內部采用SRAM工藝，它的配置數據存儲在SRAM中。由于SRAM的易失性，每次系統上電時，必須重新配置數據，即ICR(In-Circuit Reconfigurability)，只有在數據配置正確的情況下系統才能正常工作。在線配置方式一般有兩類：一是通過下載電纜由計算機直接對其進行配置，二是通過配置芯片對其進行配置。通過PC機對FPGA進行在系統重配置，雖然在調試時非常方便，但在應用現場是很不現實的。上電后，自動加載配置對FPGA應用來說是必需的。Altera公司提供的配置芯片有一次可編程型和可擦除編程型兩種：一次可編程型芯片只能寫入一次，不適合開發階段反復調試、修改及產品的方便升級；可擦除編程型價格昂貴，且容量有限，對容量較大的可編程邏輯器件，需要多片配置芯片組成菊花鏈形進行配置，增加系統設計的難度。
為了降低成本，目前在開發階段多用可擦除型配置芯片；最終產品用不可擦寫的配置芯片，但一次簡單的代碼更換就需要更換一次器件，這在產品升級時很不實用。至今還沒有低成本的配置芯片出現，而我們采用的這套配置方案充分考慮了在FPGA實際使用中，對設計的保密性和設計的可升級的要求，不但可以實現代替價格昂貴的不可擦寫和可擦寫配置芯片，而且可以實現多任務電路結構重配置。該方案有PC機控制程序、單片機和外部串行存儲器組成，只要通過替換外部串行存儲器，就可實現對不同容量的多種配置芯片的代替。PC機是用來將配置數據寫入存儲器的，在寫好數據后該配置系統不再需要PC機的控制，在單片機的控制下實現ICR或多任務電路結構重配置。多任務電路結構重配置即將多個配置文件分區存儲到外部存儲器中，然后由單片機接收不同的命令，以選擇讀取不同存儲器區的數據下載到FPGA器件，實現在線配置成多種不同的工作模式。
1 FPGA器件的配置方式和配置文件
Altera公司生產的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它們的配置方式可分為PS（被動串行）、PPS（被動并行同步）、PPA（被動并行異步）、PSA（被動串行異步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五種方式。這五種方式都能適用于單片機配置。PS方式因電路簡單，對配置時鐘的要求相對較低，而被廣泛應用。我們的配置方案也采用PS配置方式來實現ICR功能，圖1是PS配置方式的時序圖。
被動串行工作過程：當nconfig產生下降沿脈沖時啟動配置過程，在dclk上升沿，將數據移入目標芯片。在配置過程中，系統需要實時監測，一旦出現錯誤，nSTATUS將被拉低，系統識別到這個信號后，立即重新啟動配置過程。配置數據全部正確地移入目標芯片內部后，CONF_DONE信號跳變為高，此后，DCLK必須提供幾個周期的時鐘（具體周期數與DCLK的頻率有關），確保目標芯片被正確初始化，進入用戶工作模式。
Altera的MAX+PLUS II或Quartus II開發工具可以生成多種配置或編譯文件，用于不同配置方法的配置系統，而對于不同系列的目標器件配置數據的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf文件決定。.rbf文件即二進制文件。該文件包括所有的配置數據，一個字節的 .rbf文件有8位配置數據，每一字節在配置時最低位最先被裝載。微處理器可以讀取這個二進制文件，并把它裝載到目標器件中。Altera提供的軟件工具不自動生成 .rbf文件，須按照下面的步驟生成：① 在MAX+PLUS II編譯狀態，選擇文件菜單的變換SRAM目標文件命令； ② 在變換SRAM目標文件對話框，指定要轉換的文件并且選擇輸出文件格式為 .rbf(Sequential)，然后確定。
2 配置電路結構和原理
2.1 串行通信的電路結構和原理
PC機與單片機的接口如圖2所示。AT89C2051單片機通過串行口直接接收PC機傳送來的串行數據，然后把接收到的數據存入數據存儲器。由于PC機的串行口都是RS-232C標準的接口，所以，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C2051在接口時會產生電平不同的問題。為了解決這個問題，在PC機和單片機的串行通信電路中加入了MAX232芯片，以實現TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉換。這樣PC機和AT89C2051單片機進行串行通信時就可以順利進行了。除了電路結構之外，要實現PC機和AT89C2051之間的通信，還需要有合適的通信軟件。
2.2 ICR控制電路原理
ICR電路原理如圖3所示。AT24C256用來存儲FPGA的配置數據。
ICR控制電路的工作過程為：經MAXPLUS II編譯生產的配置文件(.sof)通過格式轉換成為 (.rbf)。然后，利用PC機端的控制程序，通過PC機的串行通信口，經U1存儲在U2中。U1再根據系統的要求，通過P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5個I/O口，將其存儲在U2中的配置數據下載到電路中的FPGA器件中去。
因作者設計電路中的FPGA是Altera公司的FLEX系列的EPF10K10，其配置文件的容量為15KB，故電路中采用1片AT24C128就可存儲EPF10K10的配置數據。我們選用AT24C256器件可以存儲兩個配置文件，是為了實現多任務電路重構，此時整個ICR控制電路只有2片IC。可以說，它是目前結構最簡單、成本最低的ICR控制電路。如果配置的FPGA是EPF10K30或更大門數的器件，則需要大容量的存儲器件或多片AT24C256。（在兩線串行總線上最多可接4片AT24C256。）
3 軟件設計
在該配置方案中，軟件包括在PC機端的控制軟件和在AT89C2051端的控制軟件兩部分。PC機端的軟件采用Visual Basic語言編程，而AT89C2051采用匯編語言進行編程。
3.1 PC機端的軟件
PC機端的軟件采用Visual Basic語言編程。VB支持面向對象的程序設計，具有結構化的事件驅動編程模式，而且可以十分簡便地作出良好的人機界面。PC機端的控制程序主要實現讀取.rbf文件并將其通過串口送出的功能。讀取文件時，主要使用讀取二進制文件命令。在串口通信方面，使用VB提供的具有強大功能的串口通信控件MSCOMM。該控件可設置串口狀態及串口通信的信息格式和協議。
在實際工作中，要實現AT89C2051和PC機之間的有效通信，必須使其具有相同的波特率和相同的通信協議。作者采用了9600bps的波特率和N.8.1幀結構。N.8.1幀結構表示1幀串行數據有10位：起始位占用1位（低電平），用來表示字符開始；后8位為數據編碼，無奇偶校驗位；最后為停止位（高電平），用來表示字符傳送結束。單片機的串行口工作在方式1。方式1是標準的10位異步通信方式，10位數據和PC機的標準串口相對應，傳送的波特率由單片機工作時鐘和T1的溢出率共同決定。
3.2 ICR控制電路軟件
在圖3介紹的ICR控制電路中，其存儲FPGA配置數據的存儲器 AT24C256采用I2C串行總線進行數據交換。其數據交換速度較慢，而FPGA配置數據又比較大，因此如何提高圖3介紹的ICR控制電路的配置速度將是軟件設計上的一個重點。限制速度的瓶頸主要是從AT24C256讀取數據和將數據寫入FPGA器件中。從AT24C256讀取數據，有讀當前地址、隨機讀和順序讀三種方式。這三種方式中，順序讀最簡單、速度最快。因為在同一片AT24C256中，僅需要寫入一次讀命令就可以按順序從0地址開始直至讀完整片AT24C256中的全部數據。向FPGA器件寫數據時，可以使用串行口的移位寄存器工作方式，即方式0。方式0數據的傳送以8位為1幀，無論是發送或是接收都是最低有效位居先。這和FPGA對數據的要求一致，傳送的波特率固定為振蕩頻率的1/12。本系統只需用到輸出方式，串行數據通過RXD端輸出，而用TXD端輸出移位脈沖。當1字節數據寫入串行數據緩沖器SBUF時，就開始發送。在此期間，發送控制器送出移位信號，使發送移位寄存器的內容右移1位，直至最高位(D7位)移出后，停止發送數據和移位時鐘脈沖。發送完1字節數據后，硬件置發送標志位TI為1，通過判斷TI的狀態決定是否向SBUF寫入數據。采用這種方式比采用普通（I/O）口要快很多。
4 結 論
我們設計的基于微控制器的FPGA器件的 ICR控制系統，具有線路結構簡單、開發容易、體積小、成本低的優點；可以支持3.3V和5V系統的配置；適用于需要ICR功能的電子裝置中。該ICR控制電路是為配置Altera公司FLEX系列的FPGA器件而設計的，稍加修改也適用于其它系列的FPGA器件。這個配置電路的主要弱點在于配置速率較慢，只能適用于配置速率要求不高的應用。