1.8... Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新.pdf

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8. Cyclone IV器件的配置和远程系统更新

配置

配置功能

配置数据解压缩

配置要求

上电复位（POR）电路

配置文件容量

配置和JTAG管脚的I/O要求

配置过程

上电

复位

配置

配置错误

初始化

用户模式

配置方案

AS配置（串行配置器件）

单器件AS配置

多器件AS配置

利用相同的设计配置多个Cyclone IV器件

为AS接口连接串行配置器件到Cyclone IV器件的指南

编程串行配置器件

AP配置（支持闪存）

AP配置支持闪存

单器件AP配置

多器件AP配置

字节宽多器件AP配置

字宽多器件AP配置

为AP接口连接并行闪存到Cyclone IV E器件的指南

配置多个总线主器件

估算AP配置时间

编程并行闪存

PS配置

使用外部主机的PS配置

PS配置时序

使用下载电缆的PS配置

FPP配置

使用外部主机进行FPP配置

FPP配置时序

JTAG配置

利用Jam STAPL配置Cyclone IV

利用JRunner软件驱动配置Cyclone IV器件

结合JTAG和AS的配置方案

利用JTAG接口在系统编程串行配置器件

JTAG指令

器件配置管脚

远程系统更新

功能描述

启用远程更新

配置镜像类型

远程系统更新模式

远程更新模式

专用的远程系统更新电路

远程系统更新寄存器

远程系统更新状态机

用户监视计时器

Quartus II软件支持

文档修订历史

8. Cyclone IV器件的配置和远程系统更新 November 2011 CYIV-51008-1.4 CYIV-51008-1.4 本章节介绍了 Cyclone® IV 器件的配置和远程系统更新。Cyclone IV （Cyclone IV GX 和 Cyclone IV E）器件使用 SRAM 单元存储配置数据。由于 SRAM 内存的易失性，每次器件上电后，都必须将配置数据下载到 Cyclone IV 器件中。使用下面其中的一个配置方案配置 Cyclone IV 器件： ■ 主动串行（AS） ■ 主动并行（AP）（仅支持 Cyclone IV E 器件） ■ 被动串行（PS） ■ 快速被动并行（FPP）（不支持 EP4CGX15、EP4CGX22 和 EP4CGX30 [ 除 F484 封装之外 ] 器件） ■ JTAG Cyclone IV 器件提供以下配置功能： ■ 配置数据解压缩（“ 配置数据解压缩 ” 第 8-2 页） ■ 远程系统更新（“ 远程系统更新 ” 第 8-70 页）系统设计师面临着严峻的挑战，如缩短设计周期、不断发展的标准和在偏远地区的系统部署。Cyclone IV 器件利用固有的重编程和专用电路来执行远程系统更新，帮助克服了这些挑战。远程系统更新有助于实现功能的增强和错误的修复，无需昂贵的成本，减少产品上市的时间和延长产品的生命周期。配置本节介绍了 Cyclone IV 器件的配置，包括以下几方面内容： ■ “ 配置功能 ” 第 8-2 页 ■ “ 配置要求 ” 第 8-3 页 ■ “ 配置过程 ” 第 8-6 页 ■ “ 配置方案 ” 第 8-8 页 ■ “AS 配置（串行配置器件）” 第 8-10 页 ■ “AP 配置（支持闪存）” 第 8-21 页 ■ “PS 配置 ” 第 8-32 页 ■ “FPP 配置 ” 第 8-39 页 ■ “JTAG 配置 ” 第 8-45 页 © 2011 Altera Corporation. All rights reserved. ALTERA, ARRIA, CYCLONE, HARDCOPY, MAX, MEGACORE, NIOS, QUARTUS and STRATIX words and logos are trademarks of Altera Corporation and registered in the U.S. Patent and Trademark Office and in other countries. All other words and logos identified as trademarks or service marks are the property of their respective holders as described at www.altera.com/common/legal.html. Altera warrants performance of its semiconductor products to current specifications in accordance with Altera's standard warranty, but reserves the right to make changes to any products and services at any time without notice. Altera assumes no responsibility or liability arising out of the application or use of any information, product, or service described herein except as expressly agreed to in writing by Altera. Altera customers are advised to obtain the latest version of device specifications before relying on any published information and before placing orders for products or services. ISO 9001:2008 Registered Cyclone IV 器件手册，卷 1 2011 年 11 月 Subscribe

8–2 Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置 ■ “ 器件配置管脚 ” 第 8-61 页配置功能表 8-1 列出了用于每种配置方案中的配置方法。表 8-1. Cyclone IV 器件的配置功能配置方案配置方法解压缩远程系统更新 (1) AS AP PS FPP 基于 JTAG 的设置串行配置器件所支持闪存 (2) 内置闪存的外部主机下载电缆内置闪存的外部主机内置闪存的外部主机下载电缆 v — v v — — — v v v(3) — v(3) — — 表 8-1 注释： (1) 当您使用远程系统更新功能时，支持远程更新模式。您可以在 Quartus® II 软件的选项设置中，启用或禁用远程更新模式。 (2) 要了解关于 Numonyx 商用并行闪存系列支持的器件的详细信息，请参阅第 8-22 页表 8-9。 (3) 远程更新模式由外部支持，使用 Quartus II 软件的并行闪存加载（PFL）。配置数据解压缩 Cyclone IV 器件支持配置数据解压缩，从而节省配置的存储空间和时间。这一功能允许您将压缩配置数据存储在配置器件或者其它内存，然后发送压缩比特流到 Cyclone IV 器件。在配置过程中，Cyclone IV 器件实时解压缩比特流并编程 SRAM 单元。 1 初步数据表明，压缩减少 35% 至 55% 大小的配置比特流。当您启用压缩时，Quartus II 软件生成含有压缩配置数据的配置文件。这一压缩文件减少了配置器件或闪存的存储需求，并且节省了发送比特流至 Cyclone IV 器件所需的时间。一个 Cyclone IV 器件解压缩一个配置文件所需的时间小于发送配置数据到该器件所需的时间。对于 Quartus II 软件的 Cyclone IV 器件比特流，有两种启用压缩的方法： ■ 在设计编译之前（通过 Compiler Settings 菜单） ■ 在设计编译之后（通过 Convert Programming Files 对话框）要在 Quartus II 软件的编译设置项目上启用压缩，请执行以下步骤： 1. 在 Assignments 菜单中，单击 Device。跳转至 Settings 对话框。 2. 单击 Device and Pin Options。跳转至 Device and Pin Options 对话框。 3. 单击 Configuration 标签。 4. 打开 Generate compressed bitstreams。 Cyclone IV 器件手册，卷 1 Altera 公司 2011 年 11 月

Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置 8–3 5. 单击 OK。 6. 在 Settings 对话框，单击 OK。当从 Convert Programming Files 对话框创建编程文件时，您可以启用压缩功能。要启用压缩功能，请执行以下步骤： 1. 在 File 菜单中，单击 Convert Programming Files。 2. 在 Output programming file 的 Programming file type 列表中，选择您所需的文件类型。 3. 如果您选择 Programmer Object File (.pof)，您必须在 Configuration device 列表中指定配置器件。 4. 在 Input files to convert，选择 SOF Data。 5. 单击 Add File 浏览 Cyclone IV 器件 SRAM 的目标文件（.sof）。 6. 在 Convert Programming Files 对话框中，选择您在 SOF Data 添加的 .pof，然后单击 Properties。 7. 在 SOF File Properties 对话框 , 打开 Compression 选项。当多个 Cyclone IV 器件级联时，您可以在链中为每个器件选择性地启用压缩功能。图 8-1 显示了一条链中的两个 Cyclone IV 器件。第一个器件已启用压缩功能并且从配置器件上接收压缩比特流。第二个器件已禁用压缩功能并且接收未压缩的数据。您可以在 Convert Programming Files 对话框上为这个设置生成编程文件。图 8-1. 相同配置文件中的压缩与未压缩配置数据 Serial Data Serial Configuration Device Compressed VCC Uncompressed Decompression Controller 10 kΩ Cyclone IV Device Cyclone IV Device nCE nCEO nCE nCEO Not Connected (N.C.) GND 配置要求本节介绍了 Cyclone IV 器件的配置要求，包括以下几方面内容： ■ “ 上电复位（POR）电路 ” 第 8-4 页 ■ “ 配置文件容量 ” 第 8-4 页 ■ “ 上电 ” 第 8-6 页 Altera 公司 2011 年 11 月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cyclone IV 器件手册，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　卷 1

8–4 Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置上电复位（POR）电路 POR 电路保持器件在复位状态，直到供电电压电平在器件上电期间稳定。器件上电后，该器件不会释放 nSTATUS 直到 VCCINT、VCCA 和 VCCIO （配置与 JTAG 管脚所在的 I/O bank）都高于器件的 POP 跳闸点。VCCINT 和 VCCA 在器件上电后监测掉电条件。 1 VCCA 是锁相环（PLL) 的模拟电源。在某些应用中，器件的快速唤醒对于开始运行是有必要。Cyclone IV 器件提供的快速 POR 时间选项以支持快速唤醒时间应用。快速 POR 时间选项与标准 POR 时间选项相比有更严格的上电要求。您可以选择快速选项或者 MSEL 管脚设置的标准 POR 选项。 1 如果您的系统超过快速或者标准 POR 时间，您必须保持 nCONFIG 低电平直到所有的供电稳定为止。 f 要了解关于 POR 规范的详细信息，请参阅 Cyclone IV Device Datasheet。 f 要了解关于唤醒时间和POR电路的详细信息，请参阅Power Requirements for Cyclone IV Devices章节。配置文件容量表 8-2 列出了 Cyclone IV 器件的未压缩配置文件的正确文件容量值。如果要计算多个器件的配置文件存储所需的空间，将每个器件的文件尺寸进行加总得到。表 8-2. Cyclone IV 器件的未压缩原始二进制文件（.rbf）尺寸 (1/2) 器件数据大小（位） Cyclone IV E EP4CE6 EP4CE10 EP4CE15 EP4CE22 EP4CE30 EP4CE40 EP4CE55 EP4CE75 EP4CE115 2,944,088 2,944,088 4,086,848 5,748,552 9,534,304 9,534,304 14,889,560 19,965,752 28,571,696 Cyclone IV 器件手册，卷 1 Altera 公司 2011 年 11 月

Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置 8–5 表 8-2. Cyclone IV 器件的未压缩原始二进制文件（.rbf）尺寸 (2/2) 器件数据大小（位） EP4CGX15 EP4CGX22 EP4CGX30 EP4CGX50 EP4CGX75 EP4CGX110 EP4CGX150 3,805,568 7,600,040 7,600,040 24,500,000 (1), (2) 24,500,000 (1) 24,500,000 (1) 39,425,016 39,425,016 Cyclone IV GX 表 8-2 注释： (1) 这些值为初始值。 (2) 仅适用于 F484 封装。使用表 8-2 中的数据，在设计编译之前估计文件的容量。不同的配置文件格式，如十六进制（.hex）或表格的文本文件（.ttf）格式，有不同的文件尺寸。然而，对于任何特定版本的 Quartus II 软件，任何设计针对相同的器件都具有相同的未压缩配置文件尺寸。如果您使用压缩功能，每次编译后的文件尺寸都有所不同，这是由于压缩率取决于设计。 f 要了解关于设置器件的配置选项或者创建配置文件的详细信息，请参阅配置手册第 2 卷的 Software Settings部分。配置和 JTAG 管脚的 I/O 要求 Cyclone IV 器件使用 TSMC 60-nm low-k 电介质工艺制造。虽然 Cyclone IV 器件在 I/O 缓冲器中使用 TSMC 2.5-V 晶体管技术，该器件通过遵循特定的要求中可以兼容并能够连接 2.5、3.0 和 3.3-V 的配置电压标准。所有的 I/O 输入必须保持 4.1 V 的最大交流电压。在一个 AS 配置方案中使用串行配置器件时，您必须为 DATA[0] 管脚连接一个 25-Ω 的串联电阻。在多器件配置为 AS、 AP、FPP 和 PS 配置方案级联 Cyclone IV 器件系列时，您必须为 DATA 和 DCLK 管脚，连接主器件和从器件之间的中继缓冲器。在多器件配置中使用 JTAG 配置方案时，如果 TDO输出驱动器是一个非 Cyclone IV 器件，那么在 TDO-TDI路径的两端各连接 25-Ω 的电阻器。中继缓冲器的输出电阻和 TDO 路径在所有的情况下必须符合最大过冲方程，显示在公式 8-1 中。公式 8-1. (1) 公式 8-1 注释： 0.8ZO RE 1.8ZO ≤ ≤ (1) ZO 是传输线的阻抗，RE 是输出缓冲器的等效电阻。 Altera 公司 2011 年 11 月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cyclone IV 器件手册，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　卷 1

8–6 配置过程 Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置本节介绍了 Cyclone IV 器件的配置要求，包括以下几方面内容： ■ “ 上电 ” 第 8-6 页 ■ “ 复位 ” 第 8-6 页 ■ “ 配置 ” 第 8-6 页 ■ “ 配置错误 ” 第 8-7 页 ■ “ 初始化 ” 第 8-7 页 ■ “ 用户模式 ” 第 8-7 页 f 要了解关于 Altera® FPGA 配置周期状态器的详细信息，请参阅配置手册第 1 卷的 Configuring Altera FPGAs章节。上电如果器件是从关电状态上电，VCCINT、VCCA 和 VCCIO （配置与 JTAG 管脚所在的 I/O bank）必须上电到适当的电平以便于器件从 POR 退出。复位上电后，Cyclone IV 器件遍历 POR。POR 延迟取决于 MSEL 管脚的设置，这对应于您的配置方案。在 POR 过程中，器件复位， nSTATUS 和 CONF_DONE 保持低电平，以及三态所有的用户 I/O 管脚（仅适用于 PS 和 FPP 配置方案）。 1 要为 AS 和 AP 的配置方案三态配置总线，您必须结合高 nCE 和低 nCONFIG。用户 I/O 管脚和双用 I/O 管脚有弱上拉电阻器，它在配置之前或期间总是处于启用状态（在 POR 之后）。当器件退出 POR 后，所有的用户 I/O 管脚继续处于三态。当 nCONFIG 为低电平时，器件处于复位状态。当 nCONFIG 变高时，器件退出复位状态，并且释放开漏 nSTATUS 管脚，然后被外部 10-kΩ 上拉电阻器拉高。 nSTATUS 被释放后，器件准备接收配置数据以及开始配置阶段。 f 有关配置之前或期间的 I/O 管脚的弱上拉电阻值的详细信息，请参阅 Cyclone IV Device Datasheet章节。配置每个 DCLK 周期的配置数据被锁存在 Cyclone IV 器件上。然而，每个方案的数据总线的宽度和配置所需的时间有所不同。在器件接收所有的配置数据后，器件开始释放开漏 CONF_DONE 管脚，然后被外部 10-kΩ 上拉电阻拉高。 CONF_DONE 管脚上的一个由低至高的跳变表明已经完成配置，并且可以开始运行器件的初始化。 Cyclone IV 器件手册，卷 1 Altera 公司 2011 年 11 月

Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置 8–7 您可以通过拉低 nCONFIG 管脚开始进行重配置。 nCONFIG 管脚必须处于低电平至少 500 ns。当 nCONFIG 拉低时，Cyclone IV 器件被复位。Cyclone IV 器件也拉低 nSTATUS和 CONF_DONE ，所有的 I/O 管脚均处于三态。当 nCONFIG返回到逻辑高电平并且由 Cyclone IV 器件释放 nSTATUS 时，重配置开始运行。配置错误如果在配置过程中出现错误，Cyclone IV 器件置位 nSTATUS 信号低电平，表明数据帧错误和 CONF_DONE 信号保持低电平。如果 Auto- restart configuration after error 选项（在 Quartus II 软件的 Device and Pin Options 对话框中的 General 标签上）为打开状态，Cyclone IV 器件在复位超时后释放 nSTATUS （最多为 230 μs)），然后重试配置。如果这一选项为关闭状态，系统必须监控 nSTATUS 的错误，然后脉冲 nCONFIG 低电平至少 500 ns 以便重新启动配置。初始化在 Cyclone IV 器件中，初始化时钟源为内部振荡器或可选的 CLKUSR 管脚。在默认情况下，内部振荡器为初始化时钟源。如果您使用内部振荡器，该器件本身为适当的初始化提供足够的时钟周期。当使用内部振荡器时，在初始化阶段您不必从外部源发送额外的时钟周期到 CLKUSR 管脚。此外，您可以使用 CLKUSR 管脚作为用户 I/O 管脚。您也可以利用 CLKUSR 选项，灵活地对多个器件进行同步初始化或延迟初始化。 CLKUSR 管脚允许您的控制，当您的器件以不确定的时间进入到用户模式时。您可以打开 Enable user-supplied start-up clock (CLKUSR) 选项，在 Quartus II 软件的 Device and Pin Options 对话框中的 General 标签上。当您打开 Enable user supplied start-up clock option (CLKUSR) 选项时， CLKUSR 管脚为初始化时钟源。在 CLKUSR 管脚上提供一个时钟不会影响配置的过程。在配置数据被接受和 CONF_DONE 变高后， Cyclone IV 器件需要 3,192 个时钟周期以进行正确初始化和进入用户模式。 1 如果在器件初始化期间您使用的可选 CLKUSR 管脚和 nCONFIG 管脚被拉低以重新启动配置，那么在 nSTATUS 为低电平时（最多为 230 μs），确保 CLKUSR 管脚继续触发。用户模式一个可选的 INIT_DONE 管脚是可用的，一个由低至高的跳变表明了初始化的结束和用户模式的开始。Enable INIT_DONE Output 选项可在 Quartus II 软件的 Device and Pin Options 对话框中的 General 标签上选用。如果您使用 INIT_DONE 管脚，那么在 nCONFIG 为低电平和配置初始阶段，此管脚会由于一个外部 10-kΩ 上拉电阻而变高。它会变高。在选项位启用 INIT_DONE 可为器件编程（在第一帧的配置数据）， INIT_DONE 管脚变为低电平。当初始化完成后， INIT_DONE 管脚被释放并拉高。这种由低至高的跳变表明器件已进入用户模式。在用户模式下，用户 I/O 管脚功能分配在您的设计中并且不再具有弱上拉电阻。 Altera 公司 2011 年 11 月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cyclone IV 器件手册，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　卷 1

8–8 配置方案 Chapter 8: Cyclone IV 器件的配置和远程系统更新配置通过将 MSEL 管脚驱动为高电平或低电平来选择不同配置电压标准的配置方案，如表 8-3、表 8-4 和表 8-5 所示。 1 不用上拉或下拉电阻器直接连接 MSEL 管脚至 VCCA 或 GND，以避免在检测不正确配置方案时出现问题。不要利用微处理器或其它器件驱动 MSEL 管脚。表 8-3. Cyclone IV GX 器件的配置方案（EP4CGX15、EP4CGX22 和 EP4CGX30 [ 除 F484 封装以外 ]）配置方案 MSEL2 MSEL1 MSEL0 POR 延迟配置电压标准 (V) (1) AS PS 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 基于 JTAG 配置 (2) (3) (3) (3) 表 8-3 注释：快速快速标准标准快速快速标准 — 3.3 3.0, 2.5 3.3 3.0, 2.5 3.3, 3.0, 2.5 1.8, 1.5 3.3, 3.0, 2.5 — (1) 配置电压标准适用于配置管脚所在的 bank 上的 VCCIO 电源。 (2) 基于 JTAG 配置优先于其它配置方案，这意味着 MSEL 管脚设置将被忽略。 (3) 不可悬空 MSEL 管脚。将其连接到 VCCA 或 GND。这些管脚支持用于产品中的非 JTAG 配置方案。Altera 建议，如果您的器件仅使用 JTAG 配置，连接 MSEL 管脚到 GND。表 8-4. Cyclone IV GX 器件的配置方案（EP4CGX30 [ 仅在 F484 封装 ]、EP4CGX50、EP4CGX75、EP4CGX110 和 EP4CGX150）配置方案 MSEL3 MSEL2 MSEL1 MSEL0 POR 延迟配置电压标准 (V) (1) AS PS FPP 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 基于 JTAG 配置 (2) (3) (3) (3) (3) 表 8-4 注释：快速快速标准标准快速快速标准标准快速快速标准标准 — 3.3 3.0, 2.5 3.3 3.0, 2.5 3.3, 3.0, 2.5 1.8, 1.5 3.3, 3.0, 2.5 1.8, 1.5 3.3, 3.0, 2.5 1.8, 1.5 3.3, 3.0, 2.5 1.8, 1.5 — (1) 配置电压标准适用于配置管脚所在的 bank 上的 VCCIO 电源。 (2) 基于 JTAG 配置优先于其它配置方案，这意味着 MSEL 管脚设置将被忽略。 (3) 不可悬空 MSEL 管脚。将其连接到 VCCA 或 GND。这些管脚支持用于产品中的非 JTAG 配置方案。Altera 建议，如果您的器件仅使用 JTAG 配置，连接 MSEL 管脚到 GND。 Cyclone IV 器件手册，卷 1 Altera 公司 2011 年 11 月

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