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实验二十三：PS模式配置FPGA

一、实验目的与意义

二、实验设备及平台

三、实验原理

1.PS配置模式原理

2.PS模式的配置过程

3.生成配置文件

四、操作步骤：

五、实验现象：

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实验二十三：PS模式配置FPGA

一、实验目的与意义

了解什么是Altera FPGA的PS配置模式。

学习PS模式的配置过程。

掌握PS配置模式的操作流程。

二、实验设备及平台

iCore4T 双核心板。

iTool A（或相同功能）的仿真器。

USB Type C 线缆。

装有Quartus II 开发软件的平台。

三、实验原理

1.PS配置模式原理

PS（Passive serial），被动串行加载方式。FPGA作为从器件，配置过程由外部计算机或控制器控制，将数据从配置芯片EPCS写入FPGA中，配置数据在时钟的上升沿锁存，实现对FPGA的编程,这个过程叫PS配置。采用PS配置模式可以实现对FPGA进行在线编程。

首先看一下Altera的PS模式硬件原理图，如下：

图中的MSEL0、MSEL1、MSEL2三个信号的组合电平决定了FPGA的配置模式，MSEL1引脚接高电平表示PS配置模式，接低电平表示AS配置模式。上图中MSEL1引脚接高电平，为PS模式。再来看iCore4t的FPGA配置信号原理图，iCore4t核心板上将此引脚通过0欧电阻连接到2.5V引脚，使FPGA处于PS配置模式。

2.PS模式的配置过程

在iCore4t双核心板上，数据时通过STM32配置进FPGA的，因此，除了模式控制以外的配置信号引脚是连接到STM32上的，包括下图中的配置信号：

各信号代表意义如下：

CONF_DONE 上拉输出信号，升级完成状态位。升级完成后该位置1，表示升级完成。

PS_DATA0/PS_DCLK 数据和时钟信号，在PS_DCLK的上升沿，FPGA采集PS_DATA0的信号。

nCONFIG 升级开始信号

nSTATUS 反应FPGA配置过程状态的信号

* 明白了这几个信号的含义，再来看一下PS配置模式的时序图：

从时序图中也可以看到，整个配置过程大致如下：

1)nCONFIG被拉低后，一个上升沿表示要开始配置FPGA；

2)上升沿结束后，FPGA的nSTATUS由低电平被FPGA释放，由外部电阻上拉为高电平，告诉主控，FPGA已经接收到起始信号，开始接收数据；

3)DCLK和DATA开始传输信号；

4)当传输完成后，FPGA将CONFIG_DONE释放，并有外部电阻上拉，表示配置结束；

5)FPGA内部完成初始化，进入USER mode，开始执行用户逻辑。

3.生成配置文件

由于FPGA结构特性导致FPGA内的配置数据掉电后丢失，PS模式则是将数据存储在外部存储器中，待板子上电后，将数据按照PS时序要求配置进FPGA。iCore4t双核心版采用ARM作为主控，将配置数据从SD卡中配置进FPGA。

PS模式对配置文件的格式有一定要求。几种常用的配置文件格式，如sof、pof、rbf和jic等均可通过Quartus II 软件生成。 sof格式的文件可用于PS模式和JTAG模式下的文件烧写。rbf文件里面包括一些控制码等，可用于芯片配置。因此，可以通过Quartus II软件将sof格式文件转换成rbf文件，存储到SD卡或者U盘中，通过STM32将二进制的rbf文件配置到FPGA中。

sof格式文件转rbf格式文件流程如下：

1、打开Quartus II 13.1，点击file，在下拉菜单中选择Convert Programming Files，如下图所示。

2、在弹出窗口中，找到Programming file type，点击右侧下拉菜单，可以看到多种文件格式，如.pof格式、.rbf格式、.jic格式等，如下图所示。需要转换成什么格式，点击对应格式即可。

3、选择好要转换文件的目标格式后，按照下图中所示步骤操作。（注意，步骤6的.sof文件这里是作为举例用，实际操作中选择需要转换的文件。）

4、点击下图1处的Generate选项，弹出2处红框图示内容，表示转换完成。

四、操作步骤：

1、将例程中FPGA升级文件夹下的.rbf文件拷贝进SD卡system文件夹下；

2、打开PuTTy串口终端软件，选择Serial，修改COM口端号（设备管理器里查看），修改波特率和代码中一致，点击Open。

3、连接仿真器和iCore4t双核心板，并通过Micro USB线给板子供电；

4、烧写ARM程序到iCore4t双核心板。

5、下载完成后重新上电

五、实验现象：

下载成功后，可以观察到ARM.LED亮起，FPGA.LED闪烁。重新上电后ARM.LED亮起，FPGA.LED闪烁。说明PS模式下，ARM配置FPGA成功。串口终端软件显示如下：