通过USB接口实现FPGA的SelectMap配置

1.引言

FPGA器件结合了 ASIC的高性能和微处理器的灵活，不仅拥有丰富的逻辑资源，而且可以进行方便灵活的配置。主动配置方式尽管配置速度快、实现简单，但并未发挥 FPGA配置灵活的特点，适合于 FPGA用作单一应用的场合，并且大容量的配置芯片及其占用的电路板面积也带来了较高的成本；被动配置方式需要使用外部控制单元产生配置时序，实现一般较为复杂，而且在目前常见的方案中，常由于接口速率限制 [1]或者采用微处理器介入数据传输等原因，而造成配置速度不高。

USB2.0协议在目前 PC外设的接口方案中非常流行，它支持高速率、多管道、多类型的数据传输，可以方便的构建出高性能的数据传输通道和灵活的控制通道。

本文提出了一种基于 USB接口的 FPGA SelectMap（并行被动）配置方式的实现方案，不但具有被动配置灵活、设计成本低的特点，而且实现简单、配置快速。方案以 Xilinx Spartan3系列目前最大容量的 500万门 FPGA（XC3S5000）作为配置目标，选用 Cypress EZ-USB FX2LP作为 USB设备芯片，并使用其内部的大容量端点 FIFO，在 GPIF状态机的控制下，实现了一个高性能的配置数据传输通道。配置的进程则由设计的 USB请求来控制。此配置方案具有开发简单、配置成本低、速度快、使用灵活的特点，具有很强的实用性。

2.系统的总体设计


如图 1所示，系统使用 USB通道连接上位机和 EZ-USB。EZ-USB是一块高速 USB外设芯片，它支持 USB协议所描述全部四种传输模式，并拥有 1个 64Byte 的控制传输专用端点、2个缓存为 64Byte的普通端点和 4个缓存最大可达 1KB、并可以进行四倍缓冲的大数据从端点转移到外设（FPGA）的过程中，如果使用 USB设备芯片内嵌的 8051 MCU进行转移的话，最快 8个时钟周期才能传输一个字节的数据[2]，在 8051的时钟周期为 48MHz情况下，传输速度为 6MB/s，远小于 USB通道的传输速率，会成为瓶颈而无法发挥出 USB传输通道高传输速率的优势；而如果通过位宽为 8bit的 FIFO来传输的话，最快情况下，每时钟周期都可以传输一个字节数据[2]。在 EZ-USB中，大端点的缓存可以作为端点 FIFO直接连接 FPGA的配置数据输入口形成高速传输通道，端点 FIFO的读写时序可由 EZ-USB内嵌的 GPIF[4]（General Programmable Interface）产生，MCU可以不参与端点到 FPGA的数据转移，只起到配置和控制的作用，在 FIFO位宽为 8bit，GPIF时钟频率为 48MHz的情况下，传输速率为 48MB/s，这样数据从端点到 FPGA的传输速度超过了上位机到端点的 USB中断传输管道的最大速度，不对 USB传输通道构成瓶颈。