Xilinx 7系列FPGA架构之器件配置（三）_xilinx配置芯片

引言：本文我们继续介绍7系列FPGA器件配置，主要介绍几种常见的配置方案。

1.串行配置模式

在串行配置模式下，FPGA通过每个CCLK周期加载一个配置位进行配置。CCLK是主串行模式下的输出，是从串行模式下的输入。图1显示了基本的7系列FPGA串行配置接口。

图1、7系列FPGA串行配置接口

1.1 从串行配置模式

从串行配置通常用于串行菊花链中的器件，或从外部微处理器或CPLD配置单个器件时（见图2）。除了CCLK的方向外，设计注意事项与主串行配置类似。CCLK必须由外部时钟源驱动。

图2、从串行模式配置举例

1. 7系列FPGA VCCO_0和Xilinx电缆VREF必须具有相同的电压；

2. DONE引脚为开路漏极输出；

3. INIT_B引脚是一个双向开放式漏极引脚，需要一个外部上拉电阻器；

4. 对于串行配置，必须为CCLK设置位流启动时钟设置；

5. CCLK信号完整性至关重要，可能需要匹配端接；

6. VCCBATT是存储在SRAM中的AES密钥的电源。使用时，应将其连接至电池电源。

1.2 主串行配置模式

主串行配置模式与从串行配置模式相同，只是FPGA生成CCLK。也就是说，CCLK是主串行模式下的输出。对于7系列FPGA，主SPI模式是串行Flash器件低引脚数配置的主要配置模式。

1.3 时钟串行配置数据

图3显示了如何在从串行和主串行模式下将配置数据传输到7系列FPGA中。

图3、串行配置时钟顺序

1. Bit0为第一个字节最高位。例如，如果第一个字节是0xAA（10101010）、位0=1、位1=0、位2=1，等等；

2. 对于主配置模式，CCLK仅在INIT_B变高后输出驱动，到DONE变高后短暂驱动。否则，CCLK处于高Z状态；

3. CCLK可在从机串行模式下自由运行。

2.主SPI配置模式

7系列FPGA主SPI配置模式允许使用低引脚数、行业标准SPI闪存器件进行位流存储。FPGA支持直接连接到SPI闪存器件的实际标准四线接口，用于读取存储的配置文件位流。

7系列FPGA主SPI配置模式（图4）可以选择支持x2和x4快速输出读取操作的SPI设备进行读取。这些输出模式按比例比标准1位SPI接口快。此外，下降沿时钟模式可用于更好地利用整个时钟周期，并允许更高的配置速度。

图4、7系列FPGA SPI配置接口

图5显示了具有x1或x2数据宽度的SPI配置的连接。这些连接是相同的，因为x2模式使用D00_MOSI引脚作为双用途数据输入/输出引脚。菊花链配置模式仅在SPI x1模式下可用。

图5、7系列FPGA SPI x1/x2配置接口

图6显示了具有x4数据宽度的SPI配置的连接。

图6、7系列FPGA SPI x4配置接口

1. DONE引脚为开路漏极输出；

2. INIT_B引脚是一个双向开放式漏极引脚。需要一个外部上拉电阻；

3. 必须为用于SPI配置的CCLK设置位流启动时钟设置；

4. CCLK信号完整性至关重要，可能需要端接；

5. 对于菊花链SPI x1配置模式，DOUT应连接到下游FPGA的DIN。x2或x4 SPI模式不支持菊花链；

6. 从Flash到FPGA的数据路径应考虑一个串联电阻器，以最小化过冲；

7. 7系列FPGA VCCO_0电源必须与用于SPI设备I/O的VCC兼容；

8. 数据从CCLK下降沿上的SPI时钟输出，并在上的FPGA上时钟输入；

9. 通过ConfigRate选项调整CCLK频率。或者，ExtMasterCclk_en选项可以将CCLK切换到来自EMCCLK引脚的源，以使用外部时钟源；

10. VCCBATT是存储在SRAM中的AES密钥的电源。它应该是连接的使用时连接到电池电源。

3.主BPI配置模式

7系列FPGA主BPI配置模式（图7）支持使用行业标准的并行NOR（BPI）闪存设备进行比特流存储。FPGA支持直接连接到BPI闪存的地址、数据和控制信号，以提取存储的位流。

图7、7系列FPGA主BPI 配置接口

这种模式配置接口FPGA需要连接的信号较多，硬件布线稍复杂些。由于采用并行总线进行配置数据传输，具有较高的配置速度。如果项目对配置时间具有较高要求，并行配置模式可以大大缩短上电配置时间。如果对配置速度无要求，经常采用串行配置方式，简化硬件设计。图8给出了主BPI配置模式读操作举例。

图8、7系列FPGA主BPI配置接口-异步读操作举例

1. 7系列FPGA VCCO_0电源输入和Xilinx电缆VREF必须连接到相同的电压；

2. 7系列FPGA组电压VCCO_14提供：A[15:00]、FCS_B、D[15:00]、EMCCLK、PUDC_B和CSO_B信号。气缸组电压VCCO_15提供：A[28:16]、FWE_B、FOE_B、ADV_B、RS0和RS1信号；

3. 对于BPI模式，M[2:0]=010；

4. 图8显示了x16 BPI接口。对于x8 BPI接口，仅使用D[07:00]；

5. 向数据引脚发送位流遵循与SelectMAP模式相同的位交换规则。参见第83页的并行总线位顺序；

6. CCLK输出不用于在异步读取模式下连接到闪存，但用于在配置期间对闪存读取数据进行采样。所有定时均参考CCLK；

7. RS[1:0]引脚未按图2-17所示连接。这些输出引脚是可选的，可用于多引导配置；

8. DONE引脚为开路漏极输出；

9. 有关特定闪存信号连接的详细信息，请参考BPI闪存供应商数据表。为防止地址错位，用户应密切注意所用字节/字模式的闪存系列地址LSB。并非所有闪存系列都使用A01作为地址LSB；

10. 所示JTAG连接用于简单的单设备JTAG扫描链。当JTAG扫描链上有多个设备时，使用适当的IEEE Std 1149.1菊花链技术连接JTAG信号。TCK信号完整性对于JTAG的运行至关重要。路由、终止并在必要时适当缓冲TCK信号，以确保JTAG扫描链中设备的信号完整性；

11. 显示FPGA模式（M[2:0]）引脚设置为主BPI模式（010）。建议使用户能够将FPGA模式引脚更改为JTAG模式（101）的板级选项的实现，以便在设计期间为FPGA启用基于JTAG的调试功能。这不是必需的，但JTAG模式设置可确保调试期间不会受到主BPI配置的干扰；

12. 在本示例示意图中，FPGA PUDC_B引脚与接地相连，从而在配置期间实现内部上拉，包括非专用配置I/O。PUDC_B也可以在配置期间将非专用配置I/O设置为3状态；

13. VCCBATT是存储在SRAM中的AES密钥的电源。使用时，应将其连接至电池电源；

14. 此示例示意图支持单比特流配置。因此，在本示例示意图中，FPGA RS[1:0]引脚未连接；

15. 有关VCCINT电源电压，请参见相应的7系列FPGA数据表。

4.SelectMAP配置模式

SelectMAP配置接口（图9）为7系列FPGA配置逻辑提供8位、16位或32位双向数据总线接口，可用于配置和回读。数据总线的回读和读取方向仅适用于从属SelectMAP模式。

CCLK是主选择映射模式下的输出，是从选择映射模式下的输入。可以通过SelectMAP总线配置一个或多个7系列设备。

图9、7系列FPGA SelectMAP配置接口

图10显示了从配置模式SelectMAP配置举例。

图10、从配置模式SelectMAP配置举例

1. 参考XAPP583，使用微处理器通过从串行或从SelectMAP模式配置7系列FPGA，了解一种可能实现的讨论；

2. 处理器或CPLD I/O需要支持与连接的FPGA引脚兼容的电压。7系列FPGA VCCO_0电源输入和Xilinx电缆VREF必须具有相同的电压；

3. DONE引脚为开路漏极输出；

4. INIT_B引脚是一个双向开放式漏极引脚，需要一个外部上拉电阻；

5. 对于SelectMAP配置，必须为CCLK设置位流启动时钟设置；

6. 如果只配置一个FPGA，并且不需要回读，则CSI_B和RDWR_B信号可以连接到地；

7. CCLK信号完整性至关重要，可能需要端接。建议通过模拟来确定适当的终止，因为它取决于应用程序；

8. VCCBATT是存储在SRAM中的AES密钥的电源。使用时，应将其连接至电池电源；

9. 对于从SelectMAP配置，数据总线宽度可以是x8、x16或x32。从属SelectMAP x16和x32总线宽度不支持AES加密的比特流。

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延伸阅读：Xilinx 7系列FPGA架构之器件配置（一）
                  Xilinx 7系列FPGA架构之器件配置（二）

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