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一种高性能、低成本FPGA 仿真器电路再构设计

浏览201次时间：2015年3月18日 15:49

胡迎刚四川师范大学成都学院四川成都 611745

【文章摘要】

为了提高FPGA 仿真器的运行速度，降低硬件设计成本，通过对现有仿真器的硬件电路结构和原理进行深入研究，提出并构造了一种高性能、低成本的新型FPGA 仿真器设计实现电路。与传统仿真器硬件设计相比，该电路功能仅由一片单片机（PIC18F14K50）得以实现，电路芯片数量变少，成本降低，电路结构更简单，固件烧写操作更易。利用该设计电路完成的FPGA 仿真器经测试证明，其电路设计完全正确，运行效果有明显改进，稳定性更好，速度更快，是传统设计方案的3-5 倍，设计成本仅为十分之一。

【关键词】

仿真器；高性能；低成本；单片机； FPGA

中图分类号：TP393.04

文献标识码：A

【Abstract】

In order to improve the running speed and reduce the cost of hardware design of FPGA simulator, by in-depth study on the structure and principle of the simulator’s hardware circuit, giving and building a high performance, low cost implementation circuit design of new FPGA simulator. With the traditional simulator hardware design, the circuit function can be achieved only by a single chip (PIC18F14K50), and chip quantity is less, cost reduction, circuit structure is more simple, the firmware writing operation more easy. After verification, the simulator download speed is 3-5 times than traditional circuit, design cost is only 1/10.

【Keywords】

simulator; high performance; low cost; mcu;FPGA

0 引言

随着大规模可编程逻辑器件在现代电子系统设计中的应用日渐增多，其功能的优越性也日益凸显，更多的工程师越来越多的青睐于FPGA 或CPLD 芯片。然而在他们进行系统设计过程中，毫无例外的都需要将系统工程数据配置于所使用的FPGA 或CPLD，而实现这一配置的仿真器工具（USB Blaster）性能的好坏将起到至关重要的作用。

USB Blaster 是针对Altera 公司的FPGA/CPLD 可编程器件进行下载的一种电缆连接方式，该方式主要通过计算机的USB 接口实现对FPGA/CPLD 以及配置芯片进行编程、仿真调试等操作。目前通用的USB Blaster 具有以下特性：

◆支持1.2V、1.8V、 2.5V、3.3V 和5.0V 应用系统；

◆支持SignalTap II 嵌入式逻辑分析仪功能；

◆支持ALTERA 公司全系列器件；　 ◆支持NIOS II 调试, 支持NIOS II 下的FLASH 烧写；

◆ 支持三种下载模式(AS、PS 和JTAG) ；

速度快, 性能稳定；

虽然USB Blaster 是所有FPGA 工程师进行系统开发时不可或缺的仿真工具，但是市面上现有的USB Blaster 仿真器设计电路结构复杂，设计成本都很高，价格非常昂贵，下载性能也并非是最优良的。本文旨在通过深入研究，提出了一种全新的设计方案，该方案的优势在于能大大降低仿真器设计成本，提高运行性能，增强工具的稳定性。

1 传统设计方案

根据Altera 公司提供的USB Blaster 的工作协议标准，目前在业界流行以下两种设计实现方案，就其设计成本而言，采用的芯片价格均非常昂贵，下载速度并非最快。

1.1 方案1 ：EPM7064+FT245BI 实现

目前业界主流的设计方案均采用“EP M7064+FT245BI+93LC56A+74HC244DR” 实现。在该方案中，EPM7064AETC44-7 是Altera 公司CPLD 可编程逻辑器件，主要用于实现JTAG LOGIC 控制，以及对FPGA 下载文件数据格式转换。FT245BI 芯片是通用的USB 接口芯片。93LC56A 是ATMEL 公司的存储器芯片， 74HC244DR 则是TI 公司的电平转换芯片。该方案的缺点是设计电路较为复杂，芯片数量多，PCB 面积较大，设计成本高。

1.2 方案2 ：CY7C68013A+EEPROM 实现

除了方案1，还有第2 种通用方案，即采用“CY7C68013A+EEPROM”实现。这种

图1 硬件原理图

电子科技

Electronics Technology

电子制作

方案是以USB 控制芯片为核心，通过相应的开发手段，将实现USB Blaster 通信协议的固件代码烧写到存储器中，从而实现其功能。与方案1 比较而言，该方案的优点在于芯片数量少，设计电路简单，成本相应节省一半，但是设计过程中烧写固件方法较为复杂，很难掌握。

对比现有实现方案，每种方案均存在不足之处，有待改进。因此后文将重点介绍一种高速、低成本的设计方案及实现过程。

2 高速、低成本设计方案

在深入研究现有开源设计方案和查阅相关技术资料的基础上，设计实现了一款高速、低成本的USB Blaster 仿真器。该设计方案电路结构简单，只由一片单片机（PIC18F14K50 实现，设计成本是现有开源设计方案中最低成本的十分之一，下载速度是现有所有方案的3-5 倍。

2.1 硬件设计

经过查阅相关技术资料，该方案的具体硬件电路设计如图1 所示。

在该电路中P1 是USB 接口，可以采用迷你封装或者通用USB 插座，其主要功能是实现对系统提供5V 电源供电和U1 单片机程序下载接口。P2 是10 针的牛角座元件，主要功能是提供FPGA 程序下载的JTAG 和AS 下载接口。U1 则是整个电路的核心——PIC18F14K50 单片机，该单片机电源VCC 是5V 供电，晶振Y1 采用12M 有源晶振，其余元件则是由辅助电容电阻构成。整个电路结构简单，元件数量少。

按照图1 的电路结构，采用Altium Designer 13[4] 软件即可完成相应PCB 设计，其PCB 设计效果图如图2 所示。整个PCB 布局完成后，大小为30（mm）x16 （mm），因此该下载器电路面积非常小。

最后将PCB 制作成相应的电路板，再进行元器件的焊接，就可以完成该下载器的硬件设计，其实物效果如图3 所示。

2.2 固件烧写

在完成USB Blaster 下载器实物设计以后，还需要进行第二项非常重要的操作——烧写固件。该操作的功能是将能够实现FPGA/CPLD 的JTAG 通信协议的软件程序代码烧写到单片机中，以实现USB-Blaster 相应的下载、调试功能。

首先在microchip 单片机的开发软件（MPLAB IDE）中建立工程，并编写相应软件代码程序，编译工程后，利用PIC kit 3 编程器/ 调试器，将软件程序代码固化到单片机的存储器中。如图4 所示是下载程序的操作界面，在“Programmer”菜单中执行“Program”选项，即可启动下载程序功能，固件烧写成功后

如图5 所示。

固件烧写成功后，插上下载器到PC 机的USB 接口，再利用Quartus II 安装目录中自带的USB-Blaster 驱动文件，安装驱动程序，此时可以在设备管理器中看到Altera USB-Blaster 的串行通信总线设备，表明下载器可以正常使用，便可以利用该USB-Blaster 对FPGA 进行正常下载。

3 结束语

利用该设计方案完成的FPGA 仿真器经测试证明，其电路设计完全正确，运行效果有明显改进，速度更快，稳定性更好。同时与传统设计方案相比，具有电路结构简单，设计成本低，操作更加容易等特点。此设计真正是一款高性能、低成本的新型FPGA 仿真器，一定能受到广大FPGA 工程师、FPGA 爱好者的青睐。

【参考文献】

[1] 潘松，黄继业.EDA 技术实用教程[M]. 北京：科学出版社，2006 ： 110-111.

[2] 杨刚，杨霏. 用单片机配置CPLD 器件[J]. 电子设计应用，2002，（11）：49-51.

[3] 刘爱荣.EDA 技术与CPLD/FPGA 开发应用简明教程[M]. 北京：清华大学出版社，2013:50-80.

[4] 胡文华，胡仁喜. Altium Designer 13 电路设计入门与提高[M]. 北京：化学工业出版社，2013 ：13-45.

[5] 李学海.PIC 单片机实用教程[M]. 北京：北京航天航空大学出版社， 2007 ：85-108.

[6] 谢锋然，谢龙汉.PIC 单片机原理及程序设计[M]. 北京：机械工业出版社，2013 ：105-135.

【作者简介】

胡迎刚（1982-），男（汉族），四川成都人，硕士研究生，讲师，主要研究领域为FPGA 数字电路设计、自动控制及图像处理。

图2 USB Blaster PCB