基于Xilinx芯片的FPGA的DONE信號上拉電阻阻值分析

郭 京，沈 華,段小虎

(中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

基于Xilinx芯片的FPGA的DONE信號上拉電阻阻值分析

郭 京，沈 華,段小虎

(中航工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

基于Xilinx芯片的FPGA集成了越來越多的可配置邏輯資源、各種各樣的外部總線接口以及豐富的內部RAM 資源。在FPGA的電路設計中，上電配置電路至關重要。其中，DONE信號上拉電阻阻值的選擇很容易被人忽略，錯誤的阻值選擇往往會導致意想不到的情況。通過采用4.7 kΩ電阻上拉DONE信號產生的試驗結果，來分析DONE信號上拉電阻必須為330 Ω的原因。

FPGA；上拉電阻；DONE信號

圖1 FPGA加載序列

0 引言

隨著半導體和芯片技術的飛速發展,現在的現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)集成了越來越多的可配置邏輯資源、各種各樣的外部總線接口以及豐富的內部RAM 資源,使其在國防、醫療、消費電子等領域得到了越來越廣泛的應用。但是FPGA 大多數是基于SRAM 工藝的,具有易失性,因此FPGA 通常使用外部存儲器件(如PROM) 存儲必需的配置信息,防止設備掉電后FPGA丟失自我配置能力。但FPGA 配置在一定的條件和時間下才能成功完成,隨著FPGA 容量的不斷攀升,配置時間也被大大加長,上電時如不充分考慮FPGA的配置時序以及對其他器件的影響,根據常規經驗設計電路,往往會影響系統其他外圍器件的正常工作,嚴重時會導致整個系統的失效。因此,FPGA 的配置方式和上電時序已成為系統設計的重要一環[1]。本文主要分析在FPGA上電配置過程中，因DONE上拉電阻阻值的不同而引起的不同上電結果。

1 FPGA的加載過程

FPGA加載過程分為8個序列[1]，如圖1所示。

在前7個步驟完成后，配置數據的CRC校驗完成，進入最后的Startup序列，Startup序列所需要處理的事件如圖2所示。

圖2 Startup序列

這7個事件的前后關系是可以在FPGA的目標碼bit文件生成選項中進行設置的，默認的設置順序如圖3所示。

圖3 Startup事件默認狀態

所以，默認狀態下，FPGA在配置數據加載完并且通過CRC校驗后，依次完成以下工作：

(1)釋放DONE信號：配置數據加載期間FPGA驅動DONE信號為低，到Startup序列后FPGA將DONE信號置為高阻態，靠外部上拉電阻將DONE信號拉為高。

(2)處理GTS事件：配置數據加載期間FPGA IO管腳為高阻態(或也可由FPGA的某個配置管腳將所有IO在配置數據加載期間設置為上拉，該管腳的名字通常為PUDC_B或HSWAPEN)，到Startup序列后FPGA取消IO的高阻態，使能其輸出。

(3)處理GWE事件：配置數據加載期間FPGA禁止RAM的寫入和flip-flop狀態的改變，到Startup序列后使能RAM的寫入，并允許flip-flop狀態發生改變。

默認狀態下DLL和DCI不作為Startup序列的一部分，由FPGA自行處理完成后進入Lock狀態。

2 DONE信號上拉電阻與GTS事件

為了分析DONE信號上拉電阻阻值對上電配置的影響，本文將DONE信號上拉4.7 kΩ電阻來觀察造成的結果。使用一個離散量輸出作為GTS事件的標志，該離散量在VHDL源碼中賦為“0”，由于FPGA電路配置為在加載期間IO上拉，從而該離散量信號在GTS事件之前時為高電平，在GTS事件后變為低電平，該信號的電平變化就標志了GTS事件的發生，離散量無變化即為GTS未發生。FPGA采用XCF32P PROM Flash的CLKOUT作為配置時鐘CCLK的時鐘源。默認狀態下，該時鐘僅可輸出20 MHz或40 MHz時鐘，若使用MCS壓縮模式，該時鐘還可以輸出10 MHz時鐘。

當DONE信號上拉電阻阻值為4.7 kΩ時，經過多種組合情況的測試，結果如表1所示。

表1 不同時鐘頻率下離散量輸出情況

通常而言，如果PCB走線較差，FPGA配置電路信號完整性不好，FPGA配置時鐘頻率較高時容易發生配置失敗，但這通常會使配置數據載入錯誤，造成CRC校驗錯誤，從而導致配置失敗。而在這樣配置環境中，即使采用40 MHz的配置時鐘，CRC校驗仍然不會發生錯誤，所以離散量不輸出并不是信號完整性較差引發的，肯定有著與GTS事件處理直接相關的原因。

進一步對GTS事件時配置電路的行為進行波形捕獲與分析，在不同的配置時鐘頻率下，使用示波器對該離散量、DONE信號、配置時鐘進行捕獲，獲得波形如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 10 MHz配置時鐘GTS事件波形

圖5 20 MHz配置時鐘GTS事件波形

圖6 40 MHz配置時鐘GTS事件波形

以上三幅圖中的T表示相應情況下的時鐘周期。總結分析如表2所示。

表2 不同時鐘頻率下的時序分析

不同配置時鐘頻率下“DONE信號爬升時間”有所差異，DONE信號的爬升速度緩慢造成了GTS事件的失敗，在較低頻率的配置時鐘下，DONE信號需要較少時鐘周期即可為高，而在較高頻率的配置時鐘下，DONE信號需要較多時鐘周期才能升高。所以配置時鐘頻率較高時，發生GTS事件失敗的概率較高。

根據不同配置時鐘頻率下“DONE信號釋放到GTS事件時間”的差異，進一步得出GTS事件的發生需要對DONE信號的電平狀態進行回采，即FPGA在釋放DONE信號后，并不是在下一個時鐘周期立即執行GTS事件，而是要在每個時鐘周期對DONE信號的狀態進行采集判斷，直至外部上拉電阻將DONE信號電平拉高之后才會開始執行GTS事件。

根據GTS事件到配置時鐘終止時間，猜測XCF32P PROM Flash是根據FPGA的DONE信號電平狀態來決定何時終止CLKOUT配置時鐘的輸出，待其CE#管腳采集到DONE信號為高后，再給出7～8個配置時鐘周期，即終止配置時鐘。

至此，對GTS事件失敗的原因分析結果為：配置數據加載并校驗完成之后，FPGA釋放DONE信號，由外部上拉電阻將DONE信號拉為高，DONE信號開始爬升。FPGA對DONE信號的實際電平狀態進行回采，待其電平為高后執行GTS事件。如果FPGA的DONE信號并未按照Xilinx手冊用330 Ω電阻上拉，而使用了4.7 kΩ電阻上拉，這就造成了DONE信號爬升太過緩慢，需要配置多個時鐘周期才可為高。這樣的話，在FPGA對DONE信號實際電平進行回采時，即有可能因為DONE信號有回溝而采集到混亂的DONE信號狀態(例如首先為高然后為低)，這就可能造成GTS事件的失敗，從而造成FPGA 的IO管腳無法輸出，進而影響整個系統。

3 分析結果的驗證

為驗證以上分析，需要加快DONE信號爬升速度，來觀測GTS事件失敗的情況。

在FPGA的目標碼bit文件生成選項中，選擇“Drive Done Pin High”選項來使FPGA在配置數據加載并校驗完成之后，并不釋放DONE信號，而是主動將DONE信號驅動為高。選擇該選項后，DONE信號不再需要外部上拉電阻來驅動，而是由FPGA直接從低驅動為高，在這種情況下，示波器采集所獲波形如圖7所示。

圖7 DONE信號被“Drive Done Pin High”選項驅動

在這種情況下，FPGA對DONE信號實際電平進行回采時，就不會再采集到DONE信號的不定態，GTS事件不會再失敗。離散量也就輸出正常。

經此選項后，在40 MHz配置時鐘下多次試驗，GTS事件也不會再失敗。

通過FPGA的目標碼bit文件生成選項可以更改GTS事件和GWE事件的前后關系。如果將GWE事件與GTS事件交換位置，則會發生GWE事件失敗而GTS事件成功的情況。這說明DONE信號釋放后的第一個事件會受到影響，再之后的事件由于DONE信號已爬升為高，因而不會再失敗。

4 結論

Xilinx不直接對DONE信號進行驅高，而是由外部上拉電阻拉高，這樣可以讓多個FPGA的DONE信號連在一起，回采其信號，從而可使所有FPGA都加載完成之后，同步開始工作。

Xilinx要求使用330 Ω電阻對DONE信號進行上拉的原因是，該阻值可以保證在所允許的最高頻率的配置時鐘下，DONE信號仍可在一個時鐘周期內爬升為高，從而保證后續GTS事件的成功處理。

[1] 紀斌.Xilinx FPGA 上電時序分析與設計[J].電訊技術，2012，52(4)：591-594.

Analysis of pull-up resistor of the DONE signal of FPGA based on Xilinx chip

Guo Jing,Shen Hua,Duan Xiaohu

(Xi’an Aeronautical Computing Technique Research Institute，AVIC,Xi’an 710068,China)

FPGA based Xilinx chip integrates more and more configurable logic resources,a wide variety of external bus interfaces and a wealth of internal RAM resources.In the circuit design of FPGA,the design of the power up circuit is very important.Among them,the DONE signal pull-up resistor is very easy to be ignored,the error resistor selection often leads to unexpected situations.In this paper,the reason that the pull-up resistor of the DONE signal must be 330 Ω is analyzed,by the test results generated by the 4.7 kΩ pull-up resistor of DONE signal.

FPGA; pull-up resistor; DONE signal

TP302.7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.011

郭京，沈華,段小虎.基于Xilinx芯片的FPGA的DONE信號上拉電阻阻值分析[J].微型機與應用，2017,36(10)：37-39.

2016-10-26)

郭京(1989-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：計算機系統結構。

沈華(1976-)，男，研究員，主要研究方向：計算機系統結構。

段小虎(1986-)，男，工程師，主要研究方向：計算機系統結構。