Конфигурирование ИСПС

· Курс «Информационные технологии

· в проектировании ЭВС»

· Лекция №6

· «Конфигурирование ИСПС»

6. Конфигурирование БИС/СБИС с программируемой структурой

Способ конфигурирования БИС/СБИС ПЛ, т. е. настройки их на опреде­ленное функционирование, зависит от типа программируемых элементов. Для микросхем с необратимым изменением состояний программируемых элементов (типов fuse и antifuse) и реконфигурируемых микросхем с энерго­независимой памятью конфигурации (EPROM, EEPROM, Flash) для про­граммирования   используются   специальные   воздействия   электрическими сигналами, характеристики которых существенно отличаются от характери­стик рабочих (логических) сигналов. Конфигурирование таких микросхем может производиться вне создаваемой системы с помощью программаторов I или же в составе системы (т. е. при сохранении монтажа микросхемы на плате), но также с использованием специальных режимов. При этом для процессов записи информации требуются повышенные напряжения программирования   (для  микросхем  семейств  МАХ7000  и   МАХ9000  фирмы Altera, например, это 12В при рабочем напряжении питания 5 В). Для старых микросхем вследствие этого требовались несколько источников питания, более новые "стали снабжаться внутренними преобразователями рабочего напряжения в повышенное напряжение программирования.

Для БИС/СБИС ПЛ со статической памятью конфигурации ее загрузка не требует каких-либо специальных электрических режимов, и процесс конфигурирования состоит в передаче в микросхему информации по заданному протоколу и с фиксированными форматами данных. Переданная информация обеспечивает создание требуемых соединений в логических блоках, блоках ввода/вывода и подключение их к трассам межсоединений. Операция конфигурирования выполняется после каждого включения питания, причем, если установлены специальные загрузочные БИС, сам факт очередного включения питания автоматически инициирует процесс конфигурирования, который может повторяться неограниченное число раз. Отсутствие специальных электрических режимов для записи информации в память конфигурации обеспечивает возможность ее проведения в работающей схеме, причем возможна и частичная реконфигурация, относящаяся лишь к части системы.

Конфигурирование БИС/СБИС ПЛ со статической (триггерной) памятью конфигурации представляет собой запись во внутренние регистры (триг­геры) данных, задающих структуру блоков системы и их межсоединений, Каждый бит настроечных данных задает состояние соответствующему триг­геру, управляющему программируемым ключом в настраиваемой схеме.

Рекомендуемые материалы

БИС/СБИС ПЛ обычно имеет несколько возможных режимов конфигурирова­ния (например, у FPGA XC4000 фирмы Xilinx их 6, у СБИС семейства Virtex той же фирмы 4, у микросхем семейства Spartan — 2). У способов конфи­гурирования микросхем разных фирм и разных типов много общего.

Возможные способы конфигурирования:

- пассивный последовательный (Slave-serial mode);

- активный последовательный (Master-serial mode);

- байт-последовательный (SelectMAP mode);

- периферийного сканирования.

В пассивном последовательном режиме микросхема получает данные конфи­гурирования в виде потока битов из последовательной памяти PROM или другого источника. Синхронизация осуществляется от внешнего источника, каждый положительный фронт синхросигнала вводит бит данных от входа DIN. Несколько микросхем могут быть соединены в цепочку для конфигу­рирования в едином процессе от общего потока битов. В этом случае после завершения конфигурирования очередной микросхемы данные конфигура­ции для следующих микросхем появляются на выводе DOUT микросхемы, завершившей конфигурирование.

В активном последовательном режиме выходной синхросигнал микросхемы подается на последовательное ЗУ, с которого на вход DIN микросхемы по­ступает последовательный поток битов конфигурации. Микросхема воспри­нимает каждый бит под управлением положительного фронта синхросигна­ла. После загрузки очередной микросхемы, входящей в цепочку, данные для следующей снимаются с выхода DOUT той микросхемы, которая закончила конфигурирование. Для синхронизации процесса можно выбирать частоту из широкого диапазона значений. По умолчанию используется наименьшая частота 2,5 МГц. Максимальная частота — 60 МГц. Устанавливаемые часто­ты, естественно, должны соответствовать возможностям используемых PROM и включенных в цепочку микросхем. При включении питания уста­навливается частота 2,5 МГц. Если не поступит команда на изменение этого значения (опция ConfigRate в программе генерации битового потока кон­фигурации), процесс продолжится до конца на частоте 2,5 МГц.

В байт-последовательном режиме время конфигурирования минимально. Используется байт-последовательный поток данных, которые записываются в микросхему с учетом флажка ее готовности BUSY. Байтовый поток задает­ся от внешнего источника, как и сигналы тактирования, разрешения работы CS и WRITE. В этом режиме данные могут и читаться. Если сигнал WRITE пассивен, то данные конфигурации читаются из микросхемы (этот процесс есть часть процесса Readback). В режиме SelectMAP также можно конфигу­рировать одновременно несколько микросхем, но в этом случае они вклю­чаются параллельно по входам синхронизации, данных, WRITE и BUSY. Загружаются микросхемы поочередно путем соответствующего управления сигналами разрешения их работы CS.

В режиме периферийного сканирования конфигурирование осуществляется исключительно через выводы порта тестирования ТАР (Test Access Port) ин­терфейса JTAG. Используется специальная команда CFG_IN, позволяющая входным данным от вывода TDI преобразовываться в пакеты данных для внутренней шины конфигурации микросхемы.

1 - Информатизация общества - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Процесс конфигурирования для микросхем Virtex состоит из трех этапов: очистки памяти конфигурации, загрузки в нее данных и активизации логи­ческих схем, участвующих в процессе.

Конфигурирование начинается автоматически после включения питания, но может быть и задержано пользователем с помощью сигнала PROGRAM, снятие которого запрещает конфигурирование. Завершение очистки памяти выявляется с помощью сигнала INIT, а завершение всего процесса — с по­мощью сигнала DONE.

Данные для загрузки памяти конфигурации формируются системой автома­тизированного проектирования.

Реконфигурация в системе (ISP, In-System Programmability) — одно из важ­нейших достоинств СБИС ПЛ, позволяющее легко изменять логику их работы. Потребности в изменениях возникают для устранения не выявленных при первоначальном тестировании ошибок, для модернизации (Upgrade) систем и в системах с многофункциональным использованием блоков. На­личие ISP облегчает работу с современными СБИС ПЛ, корпуса которых имеют большое число миниатюрных и легко повреждаемых выводов, что делает однократность установки микросхем на плату весьма желательной. Кроме того, реконфигурация микросхемы на расстоянии с использованием средств телекоммуникации или сети Интернет дает и экономическую выго­ду, поскольку обходится дешевле, чем вызов техника для проведения этой операции у заказчика.

Возможности программирования в системе растут, если при проектирова­нии часть функциональных возможностей СБИС ПЛ оставлять свободной, имея также запас по скорости и ресурсам межсоединений. При реконфигу­рации в системе должно сохраняться назначение внешних выводов, иначе потребуется изменить монтаж печатных плат.

Среди СБИС ПЛ имеются и такие, в которых реализованы одновременно триггерная и энергонезависимая память конфигурации. В этом случае конфи­гурирование СБИС ПЛ можно производить без внешних источников дан­ных путем автоматической загрузки триггерной памяти из энергонезависи­мой. Конфигурирование СБИС ПЛ выполняется с помощью интерфейса JTAG.