武堅(jiān) 武健 張宇烜

摘要：基于FPGA的嵌入式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該文介紹了Virtex系列FPGA的邏輯加載模式，對(duì)加載速度較高的Slave SelectMAP模式的邏輯加載過程進(jìn)行了研究，并分析了加載中各信號(hào)的使用情況。同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品使用實(shí)例，對(duì)典型的邏輯加載故障進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞： Slave SelectMAP模式 ;邏輯加載故障

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）36-0232-02

1 介紹

以高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA為處理核心設(shè)計(jì)的嵌入式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品 ，具有低成本、高集成度、低功耗、小封裝等優(yōu)點(diǎn)，并且其在線編輯具有很高的靈活度，后期升級(jí)維護(hù)也非常簡(jiǎn)單。常用的FPGA芯片如Virtex系列，是一種高密度、大容量的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片，其邏輯單元多達(dá)100萬個(gè)，可兼容16種高性能接口標(biāo)準(zhǔn)，最高工作頻率可達(dá)200MHZ。Virtex系列FPGA的邏輯文件加載方式由FPGA內(nèi)部的模式選擇信號(hào)M[2：0] 的電平來決定[1]，常見的加載模式包括JTAG模式、串行模式和并行模式。其中串行模式包括Master Serial和Slave Serial兩種，并行模式也分Master SelectMap和Slave SelectMap兩類。這些模式的選擇與M[2：0]的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

其中JTAG加載模式中，不需要存儲(chǔ)芯片介入，該模式主要用于邏輯文件燒寫和調(diào)試階段，在產(chǎn)品斷電后需要重新進(jìn)行加載。串行模式需要使用到的FPGA加載信號(hào)較少，通常由FPGA在CCLK的上升沿接收1位數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，該加載方式速度較慢。而并行模式是一種8位數(shù)據(jù)加載模式，配置加載時(shí)鐘最可達(dá)66MHz，每個(gè)加載時(shí)鐘周期內(nèi)有8位配置數(shù)據(jù)下載到FPGA內(nèi)。在對(duì)加載速度要求較高的一些應(yīng)用場(chǎng)合，一般采用并行加載模式。本文主要分析了Slave SelectMAP并行模式的邏輯文件加載流程，并對(duì)該模式邏輯加載中常見故障進(jìn)行了分析研究，為基于FPGA的嵌入式產(chǎn)品故障排查提供了理論支持。

2 基于Slave SelectMAP模式的邏輯加載流程

Virtex系列FPGA采用SRAM工藝，F(xiàn)PGA本身具有易失性， 產(chǎn)品下電以后FPGA內(nèi)部的邏輯文件就會(huì)丟失[2]， 因此需要外接存儲(chǔ)器來保存其邏輯配置數(shù)據(jù)。圖1給出了Virtex系列FPGA基于Slave SelectMAP模式的邏輯加載電路，選取一片專用的Platform Flash存儲(chǔ)芯片用以存放邏輯文件[3]。

在邏輯加載過程中，圖1中的Virtex系列FPGA為主控設(shè)備，左側(cè)的存儲(chǔ)芯片為從設(shè)備，F(xiàn)PGA發(fā)出控制信號(hào)從存儲(chǔ)芯片中讀取邏輯文件，完成加載過程。具體的加載步驟如下：

1）設(shè)備上電。在邏輯加載過程中，根據(jù)手冊(cè)要求，設(shè)備管腳在加電電源正確時(shí)，加載過程才能正常工作;

2）設(shè)備初始化及加載模式采樣。初始化過程如下：

（1）FPGA完成內(nèi)部接口上電初始化后，發(fā)出PROGRAM_B信號(hào)，復(fù)位存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)芯片發(fā)出READY_WAIT低有效信號(hào)，表明還在初始化中;

（2）當(dāng)FPGA完成上電配置，結(jié)束PROGRAM_B信號(hào)后，并且存儲(chǔ)芯片也完成自身初始化后，存儲(chǔ)芯片釋放READY_WAIT信號(hào)（Open-Drain狀態(tài)），此時(shí)INIT_B信號(hào)（即存儲(chǔ)芯片的READY_WAIT）由外部電阻上拉至高電平狀態(tài);

（3）當(dāng)INIT_B拉高后，設(shè)備在加載時(shí)鐘的上升沿，對(duì)特定地址信號(hào)管腳M[2：0]進(jìn)行采樣，[0，1，1]表示Slave-SelectMAP加載模式，采樣后開始邏輯加載過程。

3）加載過程。配置完成后，設(shè)備開始邏輯文件的加載過程，具體過程如下：

（1）對(duì)加載設(shè)備ID進(jìn)行校驗(yàn)檢查，防止設(shè)備錯(cuò)誤;

（2）在時(shí)鐘信號(hào)、片選、讀信號(hào)的控制下，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)單元有效數(shù)據(jù)至地址總線DO[15：0]，并按照CCLK時(shí)序完成加載數(shù)據(jù)傳輸操作;

（3）完成全部邏輯數(shù)據(jù)的加載，并且數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)正常，F(xiàn)PGA發(fā)出DONE信號(hào)，表明邏輯加載操作成功。

常用的Slave SelectMAP加載模式和JTAG加載模式使用的主要信號(hào)見表2。

3 基于Slave SelectMAP模式的邏輯加載故障分析

3.1 加載控制信號(hào)錯(cuò)誤導(dǎo)致邏輯加載故障

在某產(chǎn)品邏輯加載故障后，使用示波器測(cè)量FPGA發(fā)出的控制信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如圖2，圖中綠色線為PROGRAM_B信號(hào)，藍(lán)色為INIT_B加載控制信號(hào)。結(jié)果顯示，F(xiàn)PGA能夠正常輸出PROGRAM_B信號(hào)，但I(xiàn)NIT_B加載控制信號(hào)異常，發(fā)現(xiàn)INIT_B加載控制信號(hào)無法拉高。

結(jié)合上文分析過程，INIT_B加載控制信號(hào)需要在PROGRAM_B信號(hào)變?yōu)楦唠娖胶螅?～3ms內(nèi)變?yōu)楦唠娖讲拍苷＿M(jìn)行邏輯加載。照手冊(cè)要求，存儲(chǔ)芯片完成初始化后，該信號(hào)應(yīng)該由外部電阻上拉至高電平（2.5V以上），而實(shí)際測(cè)試該信號(hào)時(shí)鐘始終為低電平（0.8V以下），表明存儲(chǔ)芯片不能正常完成上電初始化，達(dá)到正常狀態(tài)，所以后續(xù)FPGA邏輯加載操作不能啟動(dòng)。

3.2 加載地址線信號(hào)錯(cuò)誤導(dǎo)致邏輯加載故障

在某產(chǎn)品邏輯加載故障后，編寫測(cè)試程序?qū)Υ鎯?chǔ)芯片進(jìn)行逐行寫入，并讀出寫入數(shù)據(jù)。讀寫結(jié)果如圖3所示，根據(jù)測(cè)試程序，通過比較正確狀態(tài)地址故障態(tài)地址，發(fā)現(xiàn)是存儲(chǔ)芯片地址線A19發(fā)生錯(cuò)誤，由0偏轉(zhuǎn)為1。經(jīng)清查，發(fā)現(xiàn)該存儲(chǔ)芯片管腳脫焊，導(dǎo)致地址線信號(hào)錯(cuò)誤，F(xiàn)PGA從存儲(chǔ)芯片中加載邏輯文件時(shí)故障。

3.3 Slave SelectMAP模式能夠加載，JTAG模式加載故障

某產(chǎn)品邏輯能夠正常加載，但使用外部仿真器在JTAG模式下無法重新加載邏輯文件。根據(jù)故障現(xiàn)象及表2中羅列的信號(hào)對(duì)比可知，在Slave SelectMAP加載過程中，不使用地址線信號(hào)及寫有效信號(hào)，JTAG模式加載時(shí)需要從A0地址開始寫入數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)量，寫有效信號(hào)常高，導(dǎo)致邏輯雖然能夠正常加載，但JTAG模式寫入邏輯文件時(shí)故障。

4 總結(jié)

本文對(duì)基于Slave SelectMAP模式的邏輯加載模式進(jìn)行了研究，分析了加載過程中主設(shè)備FPGA及從設(shè)備存儲(chǔ)芯片各信號(hào)的定義和使用情況。結(jié)合加載流程和信號(hào)分析，研究了三種SelectMAP模式下邏輯加載的典型故障，對(duì)FPGA產(chǎn)品故障快速定位提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭天天.Virtex系列FPGA的SelectMAP配置接口電路[J].微處理機(jī)，2000，21（4）：17-19.

[2] 瞿海妮.基于單片機(jī)的Virtex-ⅡFPGA SelectMAP模式的配置方法[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005（4）：463-465.

[3] UG438，Platform Flash XL Configuration and Storage Device User Guide，2009.

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