K7系列FPGA进行FLASH读写1——CCLK控制(STARTUPE2原语)

  最近的工作涉及对 FPGA 进行远程更新，也就是通过远程通信接口将 .bin 文件送到 FPGA，然后写入 FLASH，这样当 FPGA 重新上电后就可以执行更新后的程序了。因此第一步工作就是进行 FLASH 的读写控制。

  然而如果尝试配置 FLASH 管脚时，会发现 CCLK 管脚是不可配置的，这实际上是因为 CCLK_0 管脚在内部已经被占用，我们必须通过其他方式获取/设置它。笔者所用芯片为 K7 系列，根据 ug470 数据手册，我们可以使用 STARTUPE2 原语获取、设置该时钟，官方手册的介绍如下

原语调用格式如下

STARTUPE2 #(
	.PROG_USR		("FALSE"),
	.SIM_CCLK_FREQ	(0.0)
)
STARTUPE2_inst(
	.CFGCLK			(cfgclk),
	.CFGMCLK		(cfgmclk),
	.EOS			(eos),
	.PREQ			(),
	.CLK			(0),
	.GSR			(0),
	.GTS			(0),
	.KEYCLEARB		(1),
	.PACK			(1),
	.USRCCLKO		(usrcclk),
	.USRCCLKTS		(0),
	.USRDONEO		(1),
    .USRDONETS		(0)
);
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• CFGCLK，配置逻辑主时钟，仅在配置时有输出，在 master 模式下也一直存在（存疑；根据后面的测试，文档所说的 Persist Enabled 应当指的是 Master 模式下一直使能/连接，但除了配置的时候存在时钟，其他时候为无效的高电平；在配置了 USRCCLK 时，在 FPGA 配置结束后三个 clk 该时钟将切换到 USRCCLK）。Configuration mode 是根据 M[2:0] 管脚配置的，最常用的是 M[2:0]=001 对应的 Master SPI 配置模式，笔者开发板即本模式，Master 模式下 CCLK 由 FPGA 输出给 FLASH 的 SCK；

• EOS，End Of Start，指示 FPGA 配置的结束；

• CFGMCLK，配置内部振荡器时钟，是从内部的一个锁相环输出的 65MHz 时钟（不是很准，笔者输出到 GPIO 用示波器看过，那块板子的 ~68MHz）；

• USRDONEO，输出到FPGA 的 DONE_0 管脚。一般而言，在硬件设计中会在这个管脚挂一个 LED 灯，以指示 FPGA 完成配置开始运行；

• USRDONETS，控制 DONE 管脚的三态门，1 将设置为高阻，0 将会把用户给入的 USRDONEO 输出到 DONE_0 管脚；

• USRCCLKO，在配置完成后，驱动 CCLK_0 管脚的用户自定义时钟。在配置完成后，前三个时钟周期用于切换时钟源，且不会被输出，但如果使用了 EMCCLK 管脚，则 EMCCLK 信号会出现在 CCLK 管脚上，直到过渡到用户自定义时钟；

• USRCCLKTS，控制 USRCCLKO 的三态门；

• GTS，全局三态门使能，要用户自定义 CCLK/DONE 等，此管脚必须置低。

其他信号详见官方手册说明，默认启动设置下，配置期间的时序图如下

测试

不配置 USRCCLKO

STARTUPE2 STARTUPE2_inst (
	.CFGCLK			(cfgclk),
	.CFGMCLK		(cfgmclk),
	.EOS			(eos)
);
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  做如上配置，将上述三信号输出到 GPIO 以及 ILA。测试发现 cfgclk 仅在上电一瞬有输出，之后为常高（Master SPI 模式）；CFGMCLK 为 ~65MHz 时钟，输出到 GPIO 的信号极其微弱，但 ILA 可以正常捕获，因此此时钟可用于 FPGA 内部逻辑，但不可直接输出（其驱动 I/O 的能力太弱了）；EOS 信号上电后一瞬即由低变高，指示配置完成，因此可用作 FPGA 启动的判断依据。

  由于没有配置 USRCCLK，CCLK 仅在初始配置有信号。上述写法仅为获取 FPGA 内部时钟，以及判断 FPGA 是否配置完成，不涉及对 FLASH 的控制。

配置 USRCCLKO

  要进行 FLASH 的读写，就要对 CCLK 进行配置，如下

STARTUPE2 #(
	.PROG_USR		("FALSE"),
	.SIM_CCLK_FREQ	(0.0)
)
STARTUPE2_inst(
    .CFGCLK			(cfgclk),
    .CFGMCLK		(cfgmclk),		//~65MHz，可用于 FPGA 内部逻辑，驱动 IO 的能力太弱了
    .EOS			(eos),			//指示 FPGA 配置完成
	.PREQ			(),
	.CLK			(0),
	.GSR			(0),
	.GTS			(0),
	.KEYCLEARB		(1),
	.PACK			(1),
    .USRCCLKO		(usrcclk),		//FLASH SCK
    .USRCCLKTS		(0),			//设为0以启用USRCCLK
    .USRDONEO		(usrdone),		//控制DONE_0管脚
    .USRDONETS		(0)				//设为0以启用usrdone，不想用就设为1
);
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在该配置下，测试发现，cfgclk 将被配置为 usrcclk，这个也就是输出到 CCLK_0 的信号，ILA 捕获、GPIO 输出均正常；cfgmclk 仍为 ~65MHz 时钟，GPIO 输出极弱。

  如果只是要控制 CCLK_0，可以只配置如下

STARTUPE2 STARTUPE2_inst(
	.GTS			(0),
    .USRCCLKO		(usrcclk),
    .USRCCLKTS		(0)
);
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通过控制 usrcclk 即可控制 CCLK_0 管脚了，从而获得对 FLASH 的控制权。

  关于如何对 FLASH 芯片进行读写控制，将持续更新…