专利名称：现场可编程门阵列程序在线升级系统及其实现方法
技术领域：
现场可编程门阵列(FPGA)程序在线升级系统及其实现方法属于FPGA在线程序升级技术领域，尤其涉及在系统上电后、使用FPGA所连接的外部总线更新FPGA程序的系统及其实现方法。
FPGA的逻辑功能是通过其内部的静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)实现的。因为SRAM是一种易失性存储器，所以FPGA掉电后，描述其功能的SRAM信息将全部丢失。我们把描述FPGA逻辑功能的SRAM信息称为FPGA的程序。为了使FPGA系统上电后能够正常工作，需要将FPGA的程序保存到FPGA外的非易失性存储器中，并且在系统上电时，通过控制电路把程序下载到FPGA中去。
图1为实现上述功能时常用的电路原理框图。其中的控制电路在系统上电时把非易失性存储器中的信息取出，通过专用配置总线1下载到FPGA。非易失性存储器可在系统不掉电的情况下通过控制电路所连接的专用编程电缆，经编程总线2写入程序。图2即为其所使用的一种电路连接图。其中，FPGA是Altera公司生产的FLEX6000系列芯片，也可以用该公司的APEX20K或FLEX10K系列芯片代替；芯片EPC2含有非易失性存储器和进行程序下载的控制电路，是一个专用配置芯片。专用配置芯片的nCS、OE、DCLK、DATA管脚分别连接FPGA的CONF_DONE、nStatus、DCLK、DATAO，组成专用配置总线。在系统上电时，将通过这条专用总线对FPGA进行程序下载。此外，通过IEEE Std 1149.1所定义的，包括TCK、TMS、TDI、TDO信号的JTAG(Joint Test Action Group)总线，外部设备ByteBlaster等可以对EPC2等专用配置芯片中的非易失性存储器的内容重新写入。
通过控制电路连接另外的编程总线，将程序通过该编程总线传输到控制电路并写入非易失性存储器中，它的优点是系统不用掉电，即可在线升级程序，实施简单；但是它需要专用的编程电缆，不利于用户自行升级程序。
本发明的特征在于它含有与外部总线交互连接的现场可编程门阵列，上述现场可编程门阵列经专用配置总线相连的、同时又彼此经专用编程总线交互连接的控制电路，以及与上述控制电路交互连接的非易失性存储器。所述的外部总线是外部设备接口(PCI)总线、工业标准结构(ISA)总线、控制域网络(CAN)总线、通用串行总线(USB)中的任何一种。所述的控制电路是芯片EPM7064S。
它的实现方法依次含有以下步骤(1)在系统上电后，控制电路经并行的数据线从非易失性存储器中读出程序；(2)控制电路把并行数据转换成串行数据后经专用配置总线向现场可编程门阵列下载程序；(3)待现场可编程门阵列编程完毕，判断用户是否经上述外部总线向专用编程总线发送I/O指令，若没有I/O指令，则等待；否则，则执行下一程序；(4)控制电路判断是否读操作，若为读操作，则从非易失性存储器中读出数据，若为写操作，则将数据写入非易失性存储器。
使用证明，它达到了预期目的。
图2 图1电路原理框图的一个实施例。
图3 本发明提出的FPGA程序在线升级系统的电路原理框图。
图4 图3电路原理框图的一个实施例。
图5 本发明提出的FPGA程序在线升级方法的程序流程框图。
再见图5在29EE010中保存了FPGA的程序，当系统上电时，7064S将等待FPGA就绪后，将程序从29EE010中读出。由于29EE010输出的是并行的8位数据，7064S芯片把它变成串行数据，输出到FPGA的专用配置总线1来完成程序下载任务。
在系统工作时，用户可以执行特定的程序，向PCI总线发送I/O指令，把数据传输到FPGA，或者读取FPGA中的数据。FPGA根据要求控制I2C总线将数据发送到控制电路7064S，或者把数据从7064S读出。控制电路7064S则直接操作29EE010来完成数据写入或者读取任务。
由此可见，本发明可以不用专用的编程器或编程电缆来完成FPGA程序的在线升级任务。
权利要求
1.现场可编程门阵列程序在线升级系统，含有经专用配置总线与现场可编程门阵列(FPGA)相连的控制电路以及和该控制电路交互连接的非易失性存储器，其特征在于，它含有与外部总线交互连接的上述现场可编程门阵列，在与上述现场可编程门阵列经专用配置总线相连的同时又彼此经专用编程总线交互连接的控制电路，以及与上述控制电路交互连接的非易失性存储器。
2.根据权利要求1所述的现场可编程门阵列程序在线升级系统，其特征在于所述的外部总线是外部设备接口(PCI)总线、工业标准结构(ISA)总线、控制域网络(CAN)总线、通用串行总线(USB)中的任何一种。
3.根据权利要求1所述的现场可编程门阵列程序在线升级系统，其特征在于所述的控制电路是芯片EPM7064S。
4.根据权利要求1所述的现场可编程门阵列程序在线升级系统所提出的实现方法，其特征在于，它依次含有以下步骤(1)在系统上电后，控制电路经并行的数据线从非易失性存储器中读出程序；(2)控制电路把并行数据转换成串行数据后经专用配置总线向现场可编程门阵列下载程序；(3)待现场可编程门阵列编程完毕，判断用户是否经上述外部总线向专用编程总线发送I/O指令，若没有I/O指令，则等待；否则，则执行下一程序；(4)控制电路判断是否读操作，若为读操作则从非易失性存储器中读出数据，若为写操作，则将数据写入非易失性存储器。
全文摘要
现场可编程门阵列程序在线升级系统及其实现方法属于FPGA程序升级技术领域，其系统的特征在于，它含有与外部总线交互连接的现场可编程门阵列(FPGA)，在与上述FPGA经专用配置总线相连的同时又彼此经专用编程总线交互连接的控制电路，以及与上述控制电路交互连接的非易失性存储器。本系统的实现方法其特征在于，它依次含有以下步骤在系统工作时，用户执行特定程序，向外部总线发出I/O指令，把数据传输到FPGA或从FPGA中取出；FPGA根据要求控制专用编程总线把数据发送到控制电路或从控制电路取出数据；控制电路直接操作非易失性存储器，完成数据写入或读出任务。它可以不用专用编程电缆实现FPGA程序的在线升级任务。
文档编号G06F13/14GK1397891SQ02129310
公开日2003年2月19日 申请日期2002年8月30日 优先权日2002年8月30日
发明者张承, 蒋东兴 申请人:清华大学