精简的FPGA编程电路

　　引言
　　
便携式、小型的仪表和设备是一个非常重要的应用领域，在未来一段时间内会有比较大的市场。而等现场可器件也是正在兴起与普及的一种器件，把FPGA更好地运用到上述仪表和设备中，可以减少这些仪器、设备的开发周期，大幅度提升这些仪器的性能，减少总成本和体积等。

　　在许多应用场合，如大型设备中的板卡，比较适合采用标准的FPGA编程。但是对于便携式设备的应用场合，采用标准电路联系FPGA与CPU需要消耗的资源太多。许多DSP芯片只有2个通用I/O引脚，所以如果能只使用1~2个引脚就完成FPGA编程功能，意义将非常重大。
　　
标准的FPGA编程电路
　　
以Xilinx的Spartan系列FPGA为例，图1是一个标准的编程电路。电路中控制器使用了4条控制信号线PROG，CLK，Data，DONE。首先Prog信号控制FPGA的初始化，一个Prog信号的低电平使FPGA进入编程状态，在编程过程及以后的运行过程中，Prog信号保持高电平；在编程过程中，Data信号与CLK信号配合，在每个Clk信号的上升沿，FPGA锁定/读取一个Data信号，如此循环，直到控制器将需要编程的程序全部送到FPGA中；当FPGA正确接收到编程程序以后，就会产生一个DONE信号，通知控制器一切完毕。

       该电路是Xilinx公司推荐的一个FPGA的标准电路，对于许多常规应用场合，它还是比较合适的，但是对于手持式仪表等尺寸非常小的设备，由于控制器本身只有1~2个I/O控制线，而上述标准电路占用4个I/O口，就有可能无法应用。
　　
       精简的FPGA编程方法
　　
       本文给出了一种精简的FPGA编程电路如图2所示。控制器的I/O控制信号线包括P/C和Data。P/C控制信号产生图2中所示的波形，经过Prog解码电路(如图4所示)得到Prog信号，经过CLK解码电路(在本例中也可以不经过)，得到CLK信号，它们与Data一起组成完整的FPGA控制信号，完成对FPGA的编程控制。

通常的FPGA下载电路

　　图1 通常的FPGA下载电路

精简的FPGA下载电路之一

　　图2 精简的FPGA下载电路之一
　　
该电路只使用2根I/O控制信号线，比标准编程电路要少，利用特殊控制信号的编码与解码，得到完成FPGA的编程工作。
　　
更进一步，也可以只使用一个I/O控制信号线，如图3所示，使用Prog解码电路(如图4所示)、CLK解码电路和Data解码电路(如图5所示)，得到FPGA编程所必须的Prog信号、CLK信号和Data信号。该方法比图2所示的电路所需要的控制线还要少。