摘要：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。
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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。

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。

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。　

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。

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。

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。

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。