複数のFPGAを独立にプログラム

2004年4月号

複数のFPGAを独立にプログラム

チェ・ルー	ベルギーのゲント大学
Zhe Lou	Ghent University

　FPGAでは、通常、回路設計データ（コンフィギュレーション・データ）を電源投入時に書き込む（プログラムする）必要がある。しかし、ほとんどのFPGAは不揮発性メモリーを内蔵していない。コンフィギュレーション・データを外部の不揮発性メモリーにあらかじめ格納しておくことになる。
　ある回路を複数のFPGAで構成する場合を考える。1個のFPGAに1個の外部メモリーを割り当てると、外部メモリーの数が増え、プリント基板の配線レイアウトが複雑になる。またプリント基板の占有面積が増えてしまう。
　この問題を解決する手法として、米ザイリンクス社はFPGA同士をつなぎ合わせるデイジー・チェーン方式のプログラム手法を提供している。しかしこの方式は、1個のFPGAに格納してある設計データだけを変更したい場合には効率的な方法ではない。変更の必要がないFPGAチップを含め、すべてのFPGAに設計データを再書き込みしなければならないため、多くの時間がかかってしまう。

　そこで、複数のFPGAで構成されたシステムでFPGAを1個ずつ選んで設計データを書き込む方法を考案した。図1に、4個のFPGAで構成するシステムの回路を示す。これはDSP（米アナログ・デバイセズ社の「ADSP21065L」）とスイッチ・ボードで構成される。
　この回路では、ADSP21065Lのシリアル・ポートを用いて、4個のFPGAを独立にプログラミングする。ADSP21065LはFPGAに設計データを書き込むマイコンの働きをする。スイッチ・ボードがFPGAを選ぶ。ADSP21065Lとスイッチ・ボードをつなぐコンフィギュレーション・バスはCLK、DATA、PROGRAM、INIT、DONEで、このほか2個の制御信号を備える。ADSP21065L はCLK信号に同期して、コンフィギュレーション・データをDATAから出力する。PROGRAM（出力）、INIT（入力）、DONE（入力）と2個の制御信号はADSP21065Lの入出力フラグになっている。スイッチ・ボードは4個のFPGAと接続しており、ADSP21065Lの制御信号に従って、指定のFPGAにコンフィギュレーション・データを書き込む。
　なお、この方法以外に、双方向バッファーを利用する方法が考えられる。例えば、「74LVT16245」などを用いて、制御信号をバッファーのOEピンおよびT/Rピンに接続すれば、ある1つのFPGAだけにコンフィギュレーション・データを書き込めるだろう。しかし、このアプローチはよく考えると実現が難しい。ネックとなるのは、INITとDONEは、複数のFPGAからの出力信号であるが、ADSP21065Lへの入力信号として1つにまとめる必要があることだ。またADSP21065Lから出力されるDATA、PROGRAMはFPGAの数に応じて双方向バッファーに分離して入力することになる。そのため、双方向バッファーはマルチプレクスとデマルチプレクスの機能を備えておく必要がある。
　今回提案した回路では、スイッチ・ボードとして、米オン・セミコンダクター社のデュアル4対1マルチプレクサー/デマルチプレクサー・バス・スイッチ「74FST3253」を採用した。2個の制御信号を2個のセレクト入力S0およびS1につないでおく。入出力信号Aを制御信号の値00、01、10、11に対応して、それぞれB1、B2、B3、B4に接続する。

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