基于U盘和单片机的FPGA配置
基于u盘和单片机的fpga配置
引 言
fpga广泛应用在电子通信领域，其安全性引起了注意，本文针对安全配置提出了解决方案。
现场可编程门阵列fpga(field programmablc gate array)是基于门阵列方式为用户提供可编程资源的，其内部逻辑结构的形成是由配置数据决定的。采用在线可重配置方式icr(in-circuit reconfigurability)将这些配置数据配置到fpga内部sram中，但由于sram的易失性，每次上电时，都必须对fpga重新进行配置，从而实现用户编程所要实现的功能。
以前的设计大多是将配置数据存放在fpga组成的系统上，本文提出将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如可加密的u盘)中。使用前将u盘接入fpga组成的系统，系统上电时由单片机控制读出配置数据，再传送给fpga进行配置。这样做优点很多：修改、升级简便，现场保密性强，安全性高；可多人分时使用同一硬件系统，同一硬件系统插入不同的配置u盘就可以实现不同的功能，可以方便地存储大容量配置数据或多个配置数据文件等；同时，符合计算机和嵌入式系统的热点usb ot
g(on the go，移动usb)技术趋势，是具有创新的设计。
1 fpga的配置方式和配置数据文件
1.1 fpga的配置方式
以altera公司的fpga器件为例，有2类配置下载方式：主动配置和被动配置。主动配置方式是由fpga器件主动引导配置操作，从外围专用配置芯片(如epc4)中获得配置数据的过程；被动配置方式则是由外部计算机或控制器控制配置过程。
以mercury、apex 20k(2．5v)、acex 1k和flex10k系列fpga为例，配置方式有：被动串行ps(pasiveserial)、被动并行同步pps(passive parallel synchronous)、被动并行异步ppa(passive parallel asyn-chronous)和jtag(jont test action group)等。具体配置方式由方式选择引脚msel1和mselo的逻辑电平组合决定。
基于sram lut(查找表)结构的fpga采用在线可重配置方式icr。以配置方式ps为例，可通过下载电缆南计算机直接对fpga器件进行配置。这种方法在设计调试时非常方便，但在现场应用巾是很不现实的。上电后自动加载对fpga器件进行配置是实际必须的，有许多方法，例如专用配置芯片(如epc4)配置、单片机控制配置、max3000a控制f1ash存储器配置、pci总线配置、internet配置、psd(programmable system devices可编程器件)配置等。
1.2 fpga的配置数据文件
altera公司的quartus ii开发工具可以生成多种配置或编译文件，用于不同配置方式。对于不同的目标器件，编译后开发工具会根据指定的fpga器件自动生成“．sof(sram object file)”和“．pof(programmer objectfile)”配置文件。“.sof”配置文件是由下载电缆将其下载到fpga中的；“．pof”配置文件是存放在配置器件里的。用单片机配置时，要将“．sof”文件转换成“．rbf(raw binaryfile)”文件，可打开quartusii的file菜单，单击convertprogramming fiks进行转换。配置文件的大小随fpga器件的不同而不同，例如epfloklo的配置文件“．sof”和“．rbf”的大小为15kb。
2 单片机配置fpga设计
2．1 单片机配置fpga的优点
在实际应用中，单片机控制配置fpga，对于保密和升级，以及实现多任务电路结构重配置和降低配置成本，都是很好的选择。配置方式ps、pps和ppa均可以用单片机控制配置。
由单片机和外部存储器组成配置fpga电路，将配置数据写入外部存储器，系统上电时再由单片机控制对fpga进行配置。也可将多个配置文件分区存储到外部存储器中，然后由单片机接收不同的命令，选择读取不同存储区的数据配置到fpga器件，从而实现多任务电路结构重配置，在线配置成多种不同的电路功能；代替了价格昂贵的不可擦写和可擦写配置芯片，降低了成本。
2.2 配置数据存储在u盘
在银行等保密行业，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有权限的使用者才能使用，或由不同的用户分时使用同一台fpga组成的系统。最好是不要将配置数据存放在fpga组成的系统上，而是将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如u盘)中(对u盘的读／写还可以加密)；使用前将存放配置数据的外部存储器接入fpga组成的系统，系统上电时冉由单片机控制对fpga进行配置就可以了。
1994年11月，以intel为首的7家公司推出了通用串行总线usb(universal serial bus)协议规范的第一个草案。usb协议从1．1过渡到2．0，作为其最重要指标的设备传输速度也从usbl．1标准的低速1．5 mbps和全速12mbps提高到usb2．0标准的高速480mbps。目前，usb设备已经非常普遍，usb接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便和价格低廉等优点得到了广泛应用。usb otg已经成为嵌入式系统领域中的热点，使得usb能应用在没有pc的领域中，实现移动数据交换和存储。本文提出将配置数据存储在u盘中，通过单片机控制读／写，符合usb otg发展趋势，将在嵌入式和fpga领域得到广泛应用。
2.3 单片机读取存储在u盘中的配置数据
通常usb设备终端必须与计算机连接。如果没有pc，则需要通过usb总线的通用接口芯片(当然也可以利用带usb接口的单片机)控制u盘的读／写。本设计采用单片机at89s52控制usb总线的通用接口芯片ch375来读取存储在u盘的配置数据。
ch375是一个usb总线的通用接口芯片，内部集成了pll倍频器、主从usb接口sie、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器和通用的固件程序等；支持usb-host主机方式和usb-device／slave没备方式，可以方便地挂接到单片机／dsp／mcu／mpu等控制器的系统总线上。外部单片机可以直接以扇区为基本单位读／写常用的usb存储设备(包括usb硬盘、usb闪存盘和u盘)。
硬件设计：ch375工作于并口方式，与普通的mcs-5l单片机的连接如图1所示。ch375的txd引脚通过l kω左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使ch375工作于并口方式。
软件设计：①进入usb主机模式，要读/写u盘，必须先设置ch375使其工作于usb主机方式。②将u盘当作存储器进行读／写，方法与读／写闪存差不多，操作简单且速度快。单片机读／写u盘文件程序分层如图2所示。
2．4 用单片机配置fpga的过程
fpga器件上电以后，开始配置过程的复位、配置和初始化3个阶段，然后进入用户状态。以配置flex10k10为例，图3为ps模式下使用单片机配置fpga的时序图。
配置过程如下：①mcu的p1．7引脚产生一个tcfg≥μs的低电平给fpga的nconfig引脚使fpga复位，200 ns后nstatus和conf_done同时跟随变为低电平；fpga的i／o端口为高阻状态，ram被清除。②mcu的p1．7引脚产生上跳变时开始配置，fpga退出复位状态，4μs后nstatus被释放并被上拉电阻拉高，fpga准备接收数据进入配置阶段。设置mcu的串口工作方式为o，单片机检测到nstatus由低跳到高后，读取配置数据(从u盘读取或上电时先将配置数据从u盘读到sram62255)由rxd送到fpga的data0(注意低位lsb先送出)；mcu的txd接收fpga的dclk以提供时钟信号，配置数据足在dclk上升沿被移位入fpga的，全部配置数据移入fpga直到conf_done变为高电平，配置阶段结束。若conf_done没有变为高电平，则需要重新配置。③初始化阶段，持续o．6～2μs。不同的fpga器件，持续时间不等。a1tera公司的quartus ii开发工具生成配置文件时，对于不同的目标器件和配置方式已经添加了相应的空dclk。软件设计使微处理器提供配置所需的时序和串行传送配置数据，以及对配置进行监测，从而实现配置过程。软件设计流程如图4所示。(程序见本刊网站www．mesnet．com．cn——编者注)
3 结论
fpga器件的配置技术犹如集成电路制造中的流片，是非常重要的一个环节。用单片机配置fpga器件与用专用器件相比，具有成本低、保密性好、可升级、可实现多任务电路结构重构(符合软件无线电思想)等特点，本设计具有创新性，硬件设计简单可靠，且成本低，易于实现，是确保fpga安全性和保密性的一种方法，在金融等关系到国家利益的场合具有重大实用价值。
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以前的设计大多是将配置数据存放在fpga组成的系统上，本文提出将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如可加密的u盘)中。使用前将u盘接入fpga组成的系统，系统上电时由单片机控制读出配置数据，再传送给fpga进行配置。这样做优点很多：修改、升级简便，现场保密性强，安全性高；可多人分时使用同一硬件系统，同一硬件系统插入不同的配置u盘就可以实现不同的功能，可以方便地存储大容量配置数据或多个配置数据文件等；同时，符合计算机和嵌入式系统的热点usb ot
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以altera公司的fpga器件为例，有2类配置下载方式：主动配置和被动配置。主动配置方式是由fpga器件主动引导配置操作，从外围专用配置芯片(如epc4)中获得配置数据的过程；被动配置方式则是由外部计算机或控制器控制配置过程。
以mercury、apex 20k(2．5v)、acex 1k和flex10k系列fpga为例，配置方式有：被动串行ps(pasiveserial)、被动并行同步pps(passive parallel synchronous)、被动并行异步ppa(passive parallel asyn-chronous)和jtag(jont test action group)等。具体配置方式由方式选择引脚msel1和mselo的逻辑电平组合决定。
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2．1 单片机配置fpga的优点
在实际应用中，单片机控制配置fpga，对于保密和升级，以及实现多任务电路结构重配置和降低配置成本，都是很好的选择。配置方式ps、pps和ppa均可以用单片机控制配置。
由单片机和外部存储器组成配置fpga电路，将配置数据写入外部存储器，系统上电时再由单片机控制对fpga进行配置。也可将多个配置文件分区存储到外部存储器中，然后由单片机接收不同的命令，选择读取不同存储区的数据配置到fpga器件，从而实现多任务电路结构重配置，在线配置成多种不同的电路功能；代替了价格昂贵的不可擦写和可擦写配置芯片，降低了成本。
2.2 配置数据存储在u盘
在银行等保密行业，如果要求安全和保密程度非常高，那么一定要有权限的使用者才能使用，或由不同的用户分时使用同一台fpga组成的系统。最好是不要将配置数据存放在fpga组成的系统上，而是将配置数据存放在使用者自己携带的外部存储器(如u盘)中(对u盘的读／写还可以加密)；使用前将存放配置数据的外部存储器接入fpga组成的系统，系统上电时冉由单片机控制对fpga进行配置就可以了。
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ch375是一个usb总线的通用接口芯片，内部集成了pll倍频器、主从usb接口sie、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器和通用的固件程序等；支持usb-host主机方式和usb-device／slave没备方式，可以方便地挂接到单片机／dsp／mcu／mpu等控制器的系统总线上。外部单片机可以直接以扇区为基本单位读／写常用的usb存储设备(包括usb硬盘、usb闪存盘和u盘)。
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fpga器件的配置技术犹如集成电路制造中的流片，是非常重要的一个环节。用单片机配置fpga器件与用专用器件相比，具有成本低、保密性好、可升级、可实现多任务电路结构重构(符合软件无线电思想)等特点，本设计具有创新性，硬件设计简单可靠，且成本低，易于实现，是确保fpga安全性和保密性的一种方法，在金融等关系到国家利益的场合具有重大实用价值。
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