FPGA-Konfiguration mittels USB

Hardware-Konfiguration des Morph-IC-II-Moduls.FTDI

Elektronische Schaltungen basierten bei OEMs traditionell auf einem ASIC. Diese Bausteine waren über Jahrzehnte die Grundlage vieler Systeme, boten hohe Geschwindigkeiten, niedrige Stückkosten und hohe Energieeffizienz. Für viele Elektronikdesigns stellen sie daher eine hohe Wertschöpfung bereit, vor allem wenn die Stückzahlen sehr hoch sind und der Preis sehr wettbewerbsfähig sein muss. Der Standardzellen-Ansatz eignet sich ideal für Elektroniksysteme, für die der Markt bereits gesichert und eine stabile Funktion gewährleistet ist. Start-up-Unternehmen, die knapp bei Kasse sind und denen das nötige Budget für eine ASIC-Lösung fehlt, sind besser daran gehalten, nicht den Standardzellen-Weg zu begehen.

Diese Aspekte treiben immer mehr OEMs hin zu programmierbarer Logik. Obwohl Designs auf der Basis programmierbarer Logik nur etwas mehr als 30% des gesamten ASIC-Markts ausmachen, der laut Semico Research im Jahr 2010 bei unglaublichen 14 Mrd. $ lag, hat die Zahl von PLD-Designstarts bereits die für ASIC-Designstarts übertroffen. Beim Einsatz eines FPGAs statt eines ASICs mit Festfunktionen hat man die Möglichkeit, das Design mittels Firmware während des Produktzyklus aufzurüsten, was mehr Flexibilität verspricht. Dies hat sich für OEMs in den Bereichen Settop-Boxen und Telekommunikations-Infrastrukturen als äußerst hilfreich erwiesen. Hier ändern sich Standards und Protokolle regelmäßig. Dieser Vorteil zahlt sich auch beim Prototyping eines Designs aus, das dann zu einem späteren Zeitpunkt festverdrahtet wird. FPGAs bieten Entwicklern die Möglichkeit, ihr Designkonzept zu validieren und Fehler zu beheben, bevor hohe finanzielle Aufwendungen getätigt werden müssen. Mit FPGAs können OEMs eine generische Plattform verändern, um unterschiedliche Modelle zu fertigen. FPGAs ermöglichen auch eine Rekonfiguration der Zielanwendung, so dass sich verschiedene Betriebsmodi auswählen lassen. Und sie ermöglichen OEMs eine schnellere Markteinführung als mit ASICs.

FPGA-Konfigurationstechniken

Obwohl für viele OEM-Entwicklungsteams die Implementierung von FPGA-basierten Systemdesigns anstelle von ASIC-Lösungen immer attraktiver wird, geht dies nicht ohne Schwierigkeiten vonstatten. Ein Hindernis ist, dass die Konfigurationsdaten auf einem zusätzlichen Flash-Speicher oder auf einem diskreten EEPROM gespeichert werden müssen, so dass sie bei jedem Einschalten des FPGAs heruntergeladen werden können: der FPGA-interne SRAM-Speicher ist flüchtig und kann nach dem Abschalten die Daten nicht halten. Dadurch vergrößert sich die Stückliste, der Entwicklungsprozess wird komplexer und die Entwicklungsdauer kann sich verlängern. Alle diese Aspekte sind beim Einsatz von programmierbarer Logik zu beachten.

Ein alternativer Ansatz, der eine „On-the-fly“-Konfiguration des FPGA ermöglicht, sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Dies erfordert normalerweise relativ teure Hardware – mit einer Konfiguration über USB lassen sich diese Kosten aber auf ein Minimum reduzieren.

FPGA-Konfiguration über USB

Eine FPGA-Konfiguration über USB ist raffiniert, kostengünstig und schnell implementierbar. Dies zahlt sich vor allem bei Anwendungen aus, die mit verschiedenen Konfigurationen (z.B. einem Ethernet-Switch) ausgestattet werden. So lässt sich unterschiedliche Firmware auf einem einzigen Chip unterbringen, anstatt jeweils ein eigenes EEPROM für jede Konfiguration einsetzen zu müssen.

Das Entwicklungsmodul Morph-IC-II von FTDI zielt auf Systemdesigns ab, in denen Hardware über USB rekonfiguriert (oder „gemorpht“) wird (siehe Bild oben). Darauf befindet sich der FT2232H USB-zu-Mehrzweck-UART/FIFO-IC von FTDI und ein Cyclone-II-FPGA von Altera. Das Modul hatt 4608 programmierbare Logikelemente, was 80.000 Logikgattern entspricht. Entwicklern steht damit viel Spielraum zur Implementierung ihres Designs zur Verfügung.

Das Modul kommuniziert mit dem Host-PC über den FT2232H, der den USB 2.0 Hi-Speed-Kommunikationsstandard (Datenrate: 480 MBit/s) unterstützt. Entwickler können so mithilfe der Quartus-II-Software von Altera das FPGA programmieren und damit interagieren. Eine Beispiel-Anwendung überträgt die erstellten Dateien vom PC auf den Baustein. Vier Anschlüsse am Modul bieten Zugriff auf alle FPGA-I/Os und einen JTAG-Header.

Über den FT2232H lässt sich eine Datenkommunikations-Bridge zwischen PC und FPGA realisieren, die sich in zwei Kanäle teilt: eine Programmierschnittstelle, die das FPGA über Alteras Passive Serial Interface für die Anwendung programmiert und eine parallele 8-Bit-FIFO-Kommunikationsschnittstelle für den synchronen oder asynchronen Datentransfer.

Das Morph-IC-II-Modul nutzt die proprietäre Multi-Protocol Synchronous Serial Engine (MPSSE), um das Passive Serial (PS) Interface von Altera anzupassen. Die Engine ermöglicht die Konfiguration verschiedener synchroner serieller Protokolle für jeden verfügbaren Datenkanal. Nachdem das FPGA programmiert ist, lässt sich die MPSSE so konfigurieren, dass sie als General Purpose I/O-Anschluss (GPIO) fungiert. Da die Datenformatierung und Taktsynchronisation über die MPSSE auf verschiedene Weise konfiguriert werden kann, lassen sich somit zahlreiche Designanforderungen adressieren. Der MorphLD FPGA Loader kann als Teil des Morph-IC-II zum Laden binärer Rohdateien dienen, die von der Quartus-II-Software bei der Kompilierung eines HDL-Projekts generiert werden.

Die Hardware-Rekonfiguration über USB bedeutet, dass das FPGA nur genügend Logikgatter bieten muss, um die komplexen diskreten Funktionen zur Implementierung zu verarbeiten. Es muss nicht alle möglichen Funktionen abdecken. Dies maximiert die Silizium-Auslastung, so dass ein kostengünstigerer Baustein eingesetzt werden kann. Die Multi-Protokoll-Funktion der MPSSE erlaubt die Kommunikation verschiedener synchroner serieller Einrichtungen mit einem USB-Port (beispielsweise über SPI, I2C und JTAG, sowie GPIO-Signale mit vordefinierten Funktionen). Mit dem Morph-IC-II geht der Rekonfigurationsprozess schnell vonstatten – meist innerhalb von 0,1 s. 

(jj)