基于U盘和单片机的FPGA配置

文章摘要：2.2 配置数据存储在U盘 在银行等保密行业，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有权限的使用者才能使用，或由不同的用户分时使用同一台FPGA组成的系统。最好是不要将配置数据存放在FPGA组成的系统上，而是将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如U盘)中(对U盘的读／写还可以加密)；使用前将存放配置数据的外部存储器接入FPGA组成的系统，系统上电时冉由单片机控制对FPGA进行配置就可以了。 1994年11月，以Intel为首的7家公司推出了通用串行总线USB(Universal serial Bus)协议规范的第一个草案。USB协议从1．1过渡到2．0，作为其最重要指标的

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2.2 配置数据存储在U盘
    在银行等保密行业，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有权限的使用者才能使用，或由不同的用户分时使用同一台FPGA组成的系统。最好是不要将配置数据存放在FPGA组成的系统上，而是将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如U盘)中(对U盘的读／写还可以加密)；使用前将存放配置数据的外部存储器接入FPGA组成的系统，系统上电时冉由单片机控制对FPGA进行配置就可以了。

    1994年11月，以Intel为首的7家公司推出了通用串行总线USB(Universal serial Bus)协议规范的第一个草案。USB协议从1．1过渡到2．0，作为其最重要指标的设备传输速度也从USBl．1标准的低速1．5 Mbps和全速12Mbps提高到USB2．0标准的高速480Mbps。目前，USB设备已经非常普遍，USB接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便和价格低廉等优点得到了广泛应用。USB OTG已经成为嵌入式系统领域中的热点，使得USB能应用在没有PC的领域中，实现移动数据交换和存储。本文提出将配置数据存储在U盘中，通过单片机控制读／写，符合USB OTG发展趋势，将在嵌入式和FPGA领域得到广泛应用。

2.3 单片机读取存储在u盘中的配置数据
    通常USB设备终端必须与计算机连接。如果没有PC，则需要通过USB总线的通用接口芯片(当然也可以利用带USB接口的单片机)控制U盘的读／写。本设计采用单片机AT89S52控制USB总线的通用接口芯片CH375来读取存储在U盘的配置数据。

    CH375是一个USB总线的通用接口芯片，内部集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器和通用的固件程序等；支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE／SLAVE没备方式，可以方便地挂接到单片机／DSP／MCU／MPU等控制器的系统总线上。外部单片机可以直接以扇区为基本单位读／写常用的USB存储设备(包括USB硬盘、USB闪存盘和U盘)。

    硬件设计：CH375工作于并口方式，与普通的MCS-5l单片机的连接如图1所示。CH375的TXD引脚通过l kΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使CH375工作于并口方式。

    软件设计：①进入USB主机模式，要读/写U盘，必须先设置CH375使其工作于USB主机方式。②将U盘当作存储器进行读／写，方法与读／写闪存差不多，操作简单且速度快。单片机读／写U盘文件程序分层如图2所示。

2．4 用单片机配置FPGA的过程
    FPGA器件上电以后，开始配置过程的复位、配置和初始化3个阶段，然后进入用户状态。以配置FLEX10K10为例，图3为PS模式下使用单片机配置FPGA的时序图。

    配置过程如下：①MCU的P1．7引脚产生一个tCFG≥μs的低电平给FPGA的nCONFIG引脚使FPGA复位，200 ns后nSTATUS和CONF_DONE同时跟随变为低电平；FPGA的I／O端口为高阻状态，RAM被清除。②MCU的P1．7引脚产生上跳变时开始配置，FPGA退出复位状态，4μs后nSTATUS被释放并被上拉电阻拉高，FPGA准备接收数据进入配置阶段。设置MCU的串口工作方式为O，单片机检测到nSTATUS由低跳到高后，读取配置数据(从U盘读取或上电时先将配置数据从U盘读到SRAM62255)由RXD送到FPGA的DATA0(注意低位LSB先送出)；MCU的TXD接收FPGA的DCLK以提供时钟信号，配置数据足在DCLK上升沿被移位入FPGA的，全部配置数据移入FPGA直到CONF_DONE变为高电平，配置阶段结束。若CONF_DONE没有变为高电平，则需要重新配置。③初始化阶段，持续O．6～2μs。不同的FPGA器件，持续时间不等。A1tera公司的Quartus II开发工具生成配置文件时，对于不同的目标器件和配置方式已经添加了相应的空DCLK。软件设计使微处理器提供配置所需的时序和串行传送配置数据，以及对配置进行监测，从而实现配置过程。软件设计流程如图4所示。(程序见本刊网站www．mesnet．com．cn——编者注)

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