FPGA工作原理是什么？

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 \x0d\x0a\x0d\x0aFPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有： \x0d\x0a1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 --2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 \x0d\x0a\x0d\x0a3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。 \x0d\x0a\x0d\x0a4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 \x0d\x0a\x0d\x0a5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 \x0d\x0a\x0d\x0a可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 \x0d\x0a目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。 \x0d\x0aFPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 \x0d\x0a加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。 \x0d\x0aFPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

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Xilinx FPGA通过FLASH加载程序的时序

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尽管FPGA的配置模式各不相同，但整个配置过程中FPGA的工作流程是一致的，分为三个部分：设置、加载、启动。

复位结束配置开始

有多种方式使FPGA的配置进入这一过程。在上电时，电压达到FPGA要求之前，FPGA的上电复位模块将使FPGA保持在复位状态外部控制PROG_B引脚出现一个低脉冲也可以使FPGA保持在复位状态。

清除配置存储内容

这一步称为初始化，当FPGA复位结束，配置存储器的内容会被自动清除。在这个步骤中，除配置专用接口外，FPGA I/O均被置于高阻态。在整个初始化过程中，INIT_B引脚被置低并在初始化结束后恢复高电平。如果INIT_B信号在外部被拉低，FPGA将一直停留在初始化状态。注意PROG_B信号的脉宽不能太窄。

采样控制信号

初始化结束后，INIT_B信号回到高电平。FPGA开始采集模式选择引脚M[1:0]和变量选择引脚VS。如果为主动模式，FPGA很快就会给出有效的CCLK。VS信号只在主动BPI及其SPI模式中生效。此时，FPGA开始在配置时钟的上升沿对配置数据进行采样。

同步化

每一个FPGA配置数据流都有一个同步头，它是一段特殊的同步字。同步字主要用于帮助FPGA确定正确的数据位置。同步字之前的配置数据都会被FPGA忽略，也就是FPGA仅仅在同步化之后才正式开始接收配置数据。一般而言，同步字都是由0/1数目相同的二进制数组成的，如Spartan3为AA995566。

ID检查

FPGA同步化后，会自动检测配置流中的器件ID和目标器件ID是否一致。这一步确保了FPGA不会被错误的配置流误配置。

32位的ID中包含了28位的特征值和4位掩码。特征值包括厂商信息，器件族，器件规模等。当器件ID检查遇到问题时，FPGA会将内部寄存器的第一位ID_Err置高，软件也会显示错误信息。

载入配置内容

在ID检查顺利通过后，FPGA开始加载配置数据。

CRC校验

在加载数据过程中，FPGA会对每一帧数据进行CRC校验。如果失败，FPGA会将INIT_B信号拉低并终止配置过程。

启动序列

FPGA配置数据加载完后，FPGA进入启动序列。启动序列事件的默认顺序为先释放DONE引脚，然后激活I/O，最后启动写使能。实际使用中，可以通过BitGen参数对启动顺序进行设置来满足不同的需求。

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摘要：提出了由于FPGA容量的攀升和配置时间的加长，采用常规设计会导致系统功能失效的观点。通过详细描述Xilinx FPGA各种配置方式及其在电路设计中的优缺点，深入分析了FPGA上电时的配置步骤和工作时序以及各阶段I/O 管脚状态，说明了FPGA上电配置对电路功能的严重影响，最后针对不同功能需求的FPGA外围电路提出了有效的设计建议。

1 引言

随着半导体和芯片技术的飞速发展，现在的FPGA集成了越来越多的可配置逻辑资源、各种各样的外部总线接口以及丰富的内部RAM资源，使其在国防、医疗、消费电子等领域得到了越来越广泛的应用。但是FPGA 大多数是基于SRAM工艺的，具有易失性，因此FPGA 通常使用外部存储器件（如PROM）存储必需的配置信息，防止设备掉电后FPGA丢失自我配置能力。但FPGA配置在一定的条件和时间下才能成功完成，随着FPGA容量的不断攀升，配置时间也被大大加长，上电时如不充分考虑FPGA的配置时序以及对其他器件的影响，根据常规经验设计电路，往往会影响系统其他外围器件的正常工作，严重时会导致整个系统的失效。因此，FPGA的配置方式和上电时序已成为系统设计的重要一环。

2 Xilinx

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