1 FPGA器件的配置方式和配置文件

Altera公司生产的具有ICR功能的FPGA器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX等系列。它们的配置方式可分为PS（被动串行）、PPS（被动并行同步）、PPA（被动并行异步）、PSA（被动串行异步）和JTAG（Joint Test Action Group）等五种方式。这五种方式都能适用于单片机配置。PS方式因电路简单，对配置时钟的要求相对较低，而被广泛应用。我们的配置方案也采用PS配置方式来实现ICR功能，图1是PS配置方式的时序图。

被动串行工作过程：当nconfig产生下降沿脉冲时启动配置过程，在dclk上升沿，将数据移入目标芯片。在配置过程中，系统需要实时监测，一旦出现错误，nSTATUS将被拉低，系统识别到这个信号后，立即重新启动配置过程。配置数据全部正确地移入目标芯片内部后，CONF_DONE信号跳变为高，此后，DCLK必须提供几个周期的时钟（具体周期数与DCLK的频率有关），确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。

Altera的MAX+PLUS II或Quartus II开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方法的配置系统，而对于不同系列的目标器件配置数据的大小也不同，配置文件的大小一般有.rbf文件决定。.rbf文件即二进制文件。该文件包括所有的配置数据，一个字节的 .rbf文件有8位配置数据，每一字节在配置时最低位最先被装载。微处理器可以读取这个二进制文件，并把它装载到目标器件中。Altera提供的软件工具不自动生成 .rbf文件，须按照下面的步骤生成：① 在MAX+PLUS II编译状态，选择文件菜单的变换SRAM目标文件命令； ② 在变换SRAM目标文件对话框，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为 .rbf(Sequential)，然后确定。

2 配置电路结构和原理

2.1 串行通信的电路结构和原理

PC机与单片机的接口如图2所示。AT89C2051单片机通过串行口直接接收PC机传送来的串行数据，然后把接收到的数据存入数据存储器。由于PC机的串行口都是RS-232C标准的接口，所以，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89C2051在接口时会产生电平不同的问题。为了解决这个问题，在PC机和单片机的串行通信电路中加入了MAX232芯片，以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换。这样PC机和AT89C2051单片机进行串行通信时就可以顺利进行了。除了电路结构之外，要实现PC机和AT89C2051之间的通信，还需要有合适的通信软件。

2.2 ICR控制电路原理

ICR电路原理如图3所示。AT24C256用来存储FPGA的配置数据。

ICR控制电路的工作过程为：经MAXPLUS II编译生产的配置文件(.sof)通过格式转换成为 (.rbf)。然后，利用PC机端的控制程序，通过PC机的串行通信口，经U1存储在U2中。U1再根据系统的要求，通过P1.2、P1.3、P1.4、P3.0和P3.1等5个I/O口，将其存储在U2中的配置数据下载到电路中的FPGA器件中去。

因设计电路中的FPGA是Altera公司的FLEX系列的EPF10K10，其配置文件的容量为15KB，故电路中采用1片AT24C128就可存储EPF10K10的配置数据。我们选用AT24C256器件可以存储两个配置文件，是为了实现多任务电路重构，此时整个ICR控制电路只有2片IC。可以说，它是目前结构最简单、成本最低的ICR控制电路。如果配置的FPGA是EPF10K30或更大门数的器件，则需要大容量的存储器件或多片AT24C256。（在两线串行总线上最多可接4片AT24C256。）

3 软件设计

在该配置方案中，软件包括在PC机端的控制软件和在AT89C2051端的控制软件两部分。PC机端的软件采用Visual Basic语言编程，而AT89C2051采用汇编语言进行编程。

3.1 PC机端的软件

PC机端的软件采用Visual Basic语言编程。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，而且可以十分简便地作出良好的人机界面。PC机端的控制程序主要实现读取.rbf文件并将其通过串口送出的功能。读取文件时，主要使用读取二进制文件命令。在串口通信方面，使用VB提供的具有强大功能的串口通信控件MSCOMM。该控件可设置串口状态及串口通信的信息格式和协议。

在实际工作中，要实现AT89C2051和PC机之间的有效通信，必须使其具有相同的波特率和相同的通信协议。作者采用了9600bps的波特率和N.8.1帧结构。N.8.1帧结构表示1帧串行数据有10位：起始位占用1位（低电平），用来表示字符开始；后8位为数据编码，无奇偶校验位；最后为停止位（高电平），用来表示字符传送结束。单片机的串行口工作在方式1。方式1是标准的10位异步通信方式，10位数据和PC机的标准串口相对应，传送的波特率由单片机工作时钟和T1的溢出率共同决定。

3.2 ICR控制电路软件

在图3介绍的ICR控制电路中，其存储FPGA配置数据的存储器 AT24C256采用I2C串行总线进行数据交换。其数据交换速度较慢，而FPGA配置数据又比较大，因此如何提高图3介绍的ICR控制电路的配置速度将是软件设计上的一个重点。限制速度的瓶颈主要是从AT24C256读取数据和将数据写入FPGA器件中。从AT24C256读取数据，有读当前地址、随机读和顺序读三种方式。这三种方式中，顺序读最简单、速度最快。因为在同一片AT24C256中，仅需要写入一次读命令就可以按顺序从0地址开始直至读完整片AT24C256中的全部数据。向FPGA器件写数据时，可以使用串行口的移位寄存器工作方式，即方式0。方式0数据的传送以8位为1帧，无论是发送或是接收都是最低有效位居先。这和FPGA对数据的要求一致，传送的波特率固定为振荡频率的1/12。本系统只需用到输出方式，串行数据通过RXD端输出，而用TXD端输出移位脉冲。当1字节数据写入串行数据缓冲器SBUF时，就开始发送。在此期间，发送控制器送出移位信号，使发送移位寄存器的内容右移1位，直至最高位(D7位)移出后，停止发送数据和移位时钟脉冲。发送完1字节数据后，硬件置发送标志位TI为1，通过判断TI的状态决定是否向SBUF写入数据。采用这种方式比采用普通（I/O）口要快很多。