彻底搞懂FPGA配置_fpga nconfig

近期通过Chipyard平台生成自定义的Rocket-chip处理器后，对怎么上板产生了疑惑，牵扯一些SOC、FPGA的知识不太熟练，故写此文章记录一下对FPGA配置过程的理解。

何谓芯片？

芯片的本质就是半导体+集成电路。

1. 按处理信号方式可分为模拟芯片和数字芯片
2. 按设计理念可分为通用芯片和专用芯片
3. 按应用领域可分为航天级芯片、汽车级芯片，工业级芯片和商业级芯片
4. 按应用功能角度可分为处理器芯片（CPU，GPU，DSP，MCU）、存储芯片（SRAM，DRAM，ROM，Flash）、传感器、电源芯片（PMU）、通信芯片（蓝牙、WIFI）和接口芯片
5. ……

FPGA是怎么配置的？

FPGA是基于SRAM的架构。SRAM是静态随机存取存储器，通电后，数据可以保持不变；断电后，数据会消失。FPGA重新上电后，需要重新写入配置数据（即所谓的bit流）。根据bit流载入方式的不同，可分为两大类：

1. 通过JTAG直接下载到FPGA中，每次重新上电都需要再下载一遍。（JTAG配置模式）
2. 提前将配置数据存储在外部非易失存储器（例如Flash）中，上电后自动加载到FPGA中。
3. 更详细的分类请见这篇文章XILINX 7系列FPGA_配置篇 - 知乎 (zhihu.com)

FPGA上电以后首先进入配置模式（configuration），在最后一个配置数据载入到FPGA以后，进入初始化模式（initialization），在初始化完成后进入用户模式（user-mode）。在配置模式和初始化模式下，FPGA的用户I/O处于高阻态（或内部弱上拉状态），当进入用户模式下，用户I/O就按照用户设计的功能工作。

一个器件完整的配置过程将经历复位、配置和初始化等3个过程。FPGA正常上电后，当其nCONFIG管脚被拉低时，器件处于复位状态，这时所有的配置RAM内容被清空，并且所有I/O处于高阻态，FPGA的状态管脚nSTATUS和CONFIG_DONE管脚也将输出为低。当FPGA的nCONFIG管脚上出现一个从低到高的跳变以后，配置就开始了，同时芯片还会去采样配置模式（MSEL）管脚的信号状态，决定接受何种配置模式。随之，芯片将释放漏极开路（open-drain）输出的nSTATUS管脚，使其由片外的上拉电阻拉高，这样，就表示FPGA可以接收配置数据了。在配置之前和配置过程中，FPGA的用户I/O均处于高阻态。

所以配置模式取决于配置模式管脚的信号状态。

配置模式怎么设置？

Vivado设计过程中生成的bit流文件需要通过特定的配置引脚导入到FPGA中。专用配置引脚上的不同电压级别决定了不同的配置模式。可选的配置模式有：

1. Master SPI x1/x2/x4
2. Master Serial
3. Slave Serial
4. Master BPI-Up x8/x16
5. Slave SelectMap x8/x16/x32
6. JTAG/Boundary Scan
7. Master SelectMap x8/x16

不管是哪种配置模式，配置数据都是存储在FPGA中的CMOS锁存器中，每次掉电后数据都会丢失，上电之后重新配置。但是选择一个片外存储器如SPI Flash存储配置数据，并设置相应的配置模式，上电后可以自动配置FPGA。

打开Vivado，运行SYNTHESIS -> IMPLEMENTATION，需要点击 Open Implemented Design，打开之后，再看左上角Tools菜单栏会发现有Edit Device Properties选项

在Configuration Modes标签中选择配置模式，可以选择多个，并且JTAG作为最基本的配置模式总会被选中。

设置配置模式会创建约束，自动添加到约束文件的末尾。

//这条语句是选择配置模式后生成的
set_property CONFIG_MODE <configuration_mode> [current_design]
 
 
//这条语句是选中"Prohibit usage of the configuration pins as user I/O and persist after configuration"才会生成的
set_property BITSTREAM.CONFIG.PERSIST YES [current_design] 
 
//设置bank电压，这两条语句要与硬件设计相符。比如，当使用JTAG配置模式时，CFGBVS设置为GND，CONFIG_VOLTAGE就必须设置为1.8
set_property CFGBVS GND [current_design]
set_property CONFIG_VOLTAGE 1.8 [current_design]