[发明专利]FPGA、FPGA配置、调试系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及FPGA技术，更具体地说，涉及对FPGA进行调试的技术.

背景技术

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，PAL)、通用阵列逻辑(Generic Array Logic，GAL)、可擦除可编程逻辑器件(Erasable Programmable Logic Device，EPLD)等可编程器件的基础上进一步发展的产物.它是作为专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA的基本特点主要有：

1)采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片.

2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片.

3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚.

4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一.

5)FPGA采用高速互补高性能金属氧化物半导体(ComplementaryHigh-performance Metal Oxide Semiconductor，CHMOS)工艺，功耗低，可以与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)、晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistor logic，TTL)电平兼容.

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一.

经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件.比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场.

FPGA是由存放在片内随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程.用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM)中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态.掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用.FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM(Programmable Read OnlyMemory，可编程只读存储器)编程器即可.当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可.这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能.因此，FPGA的使用非常灵活.

FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程.

FPGA的设计者通常在允许大规模制造FPGA用于商业用途之前对其进行测试和调试。设计者希望检测进入和/或来自FPGA的信号，从而使设计者能够识别并校正与FPGA相关的任何设计问题(例如，编程错误)。

然而，随着FPGA设计复杂性的增加，FPGA的调试成为数字系统设计者的巨大挑战.目前采用的调试方式包括采用逻辑分析器或基于JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)的软件调试器来跟踪FPGA内的行为和信号.

采用逻辑分析器的方法通常需要将逻辑分析器连接到FPGA.设计者然后使用逻辑分析器来捕捉这些信号的采样.然而，该方法需要将FPGA的内部节点引接到一些物理I/O引脚，从而可以将逻辑分析器的探针连接到这些物理引脚，来进行探测.尽管这是一个很有效的方法，但是它具有显著的缺陷：