一種簡單高效配置FPGA的方法

引言：本文描述了一種簡單高效配置FPGA的方法，該方法利用微處理器從串行外圍接口（SPI）閃存配置FPGA設(shè)備。這種方法減少了硬件組件、板空間和成本。

1. 介紹

產(chǎn)品中包含分立的嵌入式微處理器和FPGA是常見的，帶FPGA的典型嵌入式微處理器系統(tǒng)如圖1所示。這些類型的系統(tǒng)包括兩個(gè)典型的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)具有獨(dú)立的SPI Flash配置芯片。

圖1：帶FPGA的典型嵌入式微處理器系統(tǒng)配置方法

XAPP583中描述了利用微處理器配置FPGA的推薦方法。這種方法是將用戶固件以及配置位文件存儲在連接到微處理器的Flash設(shè)備上。微處理器通過SPI接口讀取比特文件，然后通過從串行或從SelectMAP接口將比特流發(fā)送到FPGA。這消除了對FPGA配置的額外PROM的需要?？驁D如圖2所示。

圖2：XAPP583文檔配置嵌入式微處理器系統(tǒng)方法

本文描述的方法進(jìn)一步簡化了配置方案。它利用了FPGA的從串行配置引腳與標(biāo)準(zhǔn)SPI總線信號之間的兼容性。圖3展示了微處理器、Flash和FPGA之間的連接。

圖3：本文檔配置嵌入式微處理器系統(tǒng)方法

如圖3所示，連接到微處理器的Flash存儲用戶固件和FPGA比特文件。然而，微處理器并不直接通過FPGA配置端口來配置FPGA。相反，F(xiàn)PGA從串行DIN和CCLK引腳連接到Flash和微處理器之間的SPI總線。通過這種方法進(jìn)行配置是可能的，因?yàn)閺拇薪涌诤团渲眯蛄信cSPI協(xié)議一致。操作和實(shí)施詳細(xì)信息部分更詳細(xì)地解釋了兼容性。

此方法可以使用兩個(gè)連接。您只需要連接以下引腳即可將配置位流傳輸?shù)侥繕?biāo)FPGA：

?FPGA CCLK引腳連接到SPI總線SCLK引腳。

?FPGA DIN引腳連接到SPI總線MISO引腳。

還可以包括用于配置控制或監(jiān)控的附加信號。以下FPGA引腳應(yīng)連接到微處理器GPIO引腳以啟用功能：

?PROGRAM_B：重置FPGA配置序列。

?INIT_B：檢查配置初始化或錯(cuò)誤狀態(tài)。

?DONE：監(jiān)控配置成功。

與圖1中所示的帶有嵌入式微處理器和Flash的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，此解決方案提供了多種優(yōu)勢：

?減少了組件數(shù)量：系統(tǒng)只需要一個(gè)Flash；

?更少的微處理器GPIO和更少的代碼空間：與其他基于嵌入式微處理器的配置解決方案相比，可以改善配置時(shí)間。

?基于微處理器的FPGA配置控制和監(jiān)控功能：超過了本地FPGA配置功能。

?系統(tǒng)內(nèi)PROM更新：此解決方案支持在微處理器上使用標(biāo)準(zhǔn)Flash編程庫來更新存儲的比特流。

2. 操作和實(shí)施細(xì)節(jié)

本節(jié)介紹FPGA從串行配置接口和時(shí)序，以及使用Zynq-7000 AP SoC處理子系統(tǒng)配置FPGA的方法。

2.1 FPGA從串行配置模式

從串行模式（FPGA配置模式之一）由于其簡單性而高效。下面列出了它的一些關(guān)鍵屬性。本應(yīng)用說明中描述的配置方法利用了這些屬性。

2.2 簡化配置方法

如果系統(tǒng)通電后只需要配置一次FPGA，那么配置方法可以很簡單，只需連接以下引腳即可：

?FPGA CCLK引腳連接到SPI總線SCLK引腳。

?FPGA DIN引腳連接到SPI總線MISO引腳。

在Zynq-7000 AP SoC開始配置之前，F(xiàn)PGA應(yīng)準(zhǔn)備好接收配置數(shù)據(jù)。換句話說，F(xiàn)PGA應(yīng)該已經(jīng)完成了從初始通電開始的配置空間的擦除階段。

圖4：FPGA配置時(shí)序圖

接下來，Zynq-7000 AP SoC向SPI Flash發(fā)送單個(gè)讀取命令，并從SPI Flash讀取整個(gè)比特流。在SPI Flash串行讀取操作期間，比特流也通過SPI總線MISO信號串行傳輸?shù)紽PGA DIN引腳。SPI Flash在SCLK/CCLK的下降沿上輸出每個(gè)串行數(shù)據(jù)位。FPGA在SCLK/CCLK的下一個(gè)上升沿捕獲串行數(shù)據(jù)位。在從SPI Flash讀取整個(gè)比特流時(shí)，F(xiàn)PGA被有效地配置。

FPGA配置接口的三個(gè)特性使FPGA DIN和CCLK引腳能夠直接連接到用于FPGA配置的SPI總線：

?SPI總線串行數(shù)據(jù)（MISO）和時(shí)鐘（SCLK）信號分別與FPGA從串行數(shù)據(jù)（DIN）和時(shí)鐘引腳兼容。

?FPGA配置接口在比特流讀取操作之前忽略所有SPI總線活動(dòng)。因?yàn)镕PGA丟棄所有傳入數(shù)據(jù)，直到它接收到有效的32位同步字，所以有效地忽略了所有SPI總線活動(dòng)。

?配置操作完成后，F(xiàn)PGA配置接口忽略所有SPI總線活動(dòng)。由于FPGA在配置完成后停止監(jiān)測其DIN輸入，因此FPGA有效地忽略了位流讀取操作后的所有SPI總線活動(dòng)。

圖5說明了SPI總線和FPGA配置事務(wù)的關(guān)系。

圖5：SPI與FPGA之間時(shí)序關(guān)系

2.3 帶有附加控件的配置方法

另一種增強(qiáng)配置操作和能力的方法是使用Zynq-7000 AP SoC來控制FPGA配置引腳。例如，Zynq-7000 AP SoC可以使用其GPIO引腳驅(qū)動(dòng)FPGA PROGRAM_B引腳來清除FPGA配置Flash并重新啟動(dòng)配置。這允許基于系統(tǒng)操作條件來重新配置用戶設(shè)計(jì)。它可以為某些用戶設(shè)計(jì)提供巨大的優(yōu)勢，這些用戶設(shè)計(jì)受益于操作過程中的功能變化。

此外，Zynq-7000 AP SoC可以通過將其GPIO引腳連接到FPGA DONE和INIT_B引腳來監(jiān)測FPGA配置準(zhǔn)備情況和結(jié)果。INIT_B是一個(gè)配置錯(cuò)誤或就緒信號。DONE信號是一個(gè)配置完成指示器。這些狀態(tài)信號為Zynq-7000 AP SoC提供信息，以做出有效決策，確保可靠配置。

例如，從配置故障中恢復(fù)的一種流行方案稱為配置回退。如果Flash中的目標(biāo)位文件損壞，則用戶設(shè)計(jì)不進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA也不起作用。在這種情況下，固件通過檢查INIT_B和DONE信號來檢測情況。然后，它通過使用Flash中的已知良好（golden）位文件重新配置FPGA來緩解問題。這使FPGA達(dá)到已知的功能狀態(tài)，以避免災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。

2.4 SPI總線SCLK最大頻率

SPI總線上的數(shù)據(jù)在相反的時(shí)鐘邊沿上被啟動(dòng)和捕獲。SCLK頻率的限制因素是最小SCLK/CCLK低時(shí)間。如圖5所示，它由從SCLK的下降沿到CCLK的上升沿的SPI Flash MISO輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間和FPGA DIN輸入設(shè)置時(shí)間之和決定。

圖6：SPI總線到FPGA時(shí)序

以下等式估計(jì)SPI總線支持FPGA配置的最大SCLK頻率：

其中：

?TV=SPI Flash SCLK到MISO數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)間。

?TDCCK=FPGA DIN輸入設(shè)置到CCLK設(shè)置時(shí)間。

?SCLKLow duty cycle %, minimum=時(shí)鐘周期內(nèi)SCLK低的最小百分比。

為了獲得更準(zhǔn)確的估計(jì)，SCLK/CCLK和MISO/DIN信號的PCB走線路徑和相應(yīng)傳播延遲的適用分量應(yīng)納入上述方程式。

此外，SCLK信號（FPGA CCLK引腳）的信號完整性至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)最大可能的時(shí)鐘頻率，請使用最佳實(shí)踐來設(shè)計(jì)并將此時(shí)鐘信號從Zynq-7000 AP SoC路由到SPI Flash和FPGA端點(diǎn)。
3.參考設(shè)計(jì)

本文提供了一個(gè)示范參考設(shè)計(jì)。它使用Zynq-7000全可編程SoC（AP SoC）和目標(biāo)板上的FPGA實(shí)現(xiàn)了圖2所示的解決方案。您可以從Xilinx網(wǎng)站下載本應(yīng)用說明的參考設(shè)計(jì)文件。表1顯示了參考設(shè)計(jì)矩陣。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)基于Zynq-7000 AP SoC 7Z045 CLG484器件。AP SoC Quad SPI控制器連接到支持SPI x1、x2或x4寬度的多I/O存儲器設(shè)備。盡管Zynq Quad SPI控制器也可以支持x1、x2、x4和x8寬度，但此參考設(shè)計(jì)適用于使用單比特總線寬度的傳統(tǒng)SPI協(xié)議。下圖顯示了Zynq-7000 AP SoC、SPI PROM和Kintex-7 FPGA之間的硬件連接。

圖7：示例硬件原理圖

參考硬件設(shè)計(jì)在Vivadodesign Suite項(xiàng)目中提供。AP SoC內(nèi)的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8：Vivado實(shí)現(xiàn)框圖

3.1 固件流程

參考設(shè)計(jì)利用存儲在SPI Flash中的更新的（最新設(shè)計(jì)修訂版）比特流和Golden（已知良好的）比特流來實(shí)現(xiàn)嘗試和回退配置方案。Zynq-7000 AP SoC固件首先嘗試加載最新的預(yù)期比特流。然后，如果配置不成功，固件將重新啟動(dòng)配置并加載黃金比特流。此過程稱為回退配置。固件流程圖如圖9所示。

圖9：固件加載流程圖

固件配置算法的詳細(xì)信息：

（1）將Zynq-7000AP SoC Quad SPI接口配置寄存器初始化為I/O模式。

?執(zhí)行諸如設(shè)置時(shí)鐘分頻器、芯片選擇模式和啟用控制器等任務(wù)。

（2）清除FPGA配置內(nèi)存。

?斷言PROGRAM_B的時(shí)間段至少比TPROGRAM長，然后取消斷言。

（3）等待INIT_B釋放。

?輪詢INIT_B引腳，以確保FPGA已完成房屋清潔階段。

（4）設(shè)置Quad SPI控制器傳輸功能。

?演示使用輪詢數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)XQspiPs_PolledTransfer（）。功能原型為：int XQspiPs_PolledTransfer（XQspiPInstancePtr，u8SendBufTr，u8*RecvBufPtr，unsigned ByteCount）；

?InstancePtr是指向Quad SPI實(shí)例的指針

?SendBufPtr和RecvBufPtr分別是發(fā)送和接收緩沖區(qū)指針。此功能要求發(fā)送和接收緩沖器的字節(jié)數(shù)與將重新配置FPGA的比特流的長度相同。

?ByteCount是要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

?發(fā)送緩沖區(qū)的第一個(gè)字包含命令和地址，如表2所示。第一個(gè)字節(jié)包含用于Quad SPI存儲器設(shè)備的命令。在這種情況下，它將發(fā)送讀取字節(jié)命令（0x03）。只需要一個(gè)命令即可完成整個(gè)操作。目標(biāo)比特流的24比特起始地址被劃分為三個(gè)字節(jié)。緩沖區(qū)其余部分的內(nèi)容是未定義的，因?yàn)檫@是一個(gè)讀取操作。

表2：Quad SPI寫入緩沖區(qū)定義

（5）呼叫輪詢傳輸功能

?調(diào)用該函數(shù)后，Quad SPI控制器將發(fā)送緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到Quad SPI存儲器。同時(shí)，它讀取的字節(jié)數(shù)與比特流的大小相同。由于FPGA的DIN和CCLK引腳連接到SPI控制器的MISO和SCK信號，當(dāng)檢測到SYNC字時(shí)，F(xiàn)PGA（設(shè)置為從串行配置模式）將開始配置。FPGA是在比特流被完全讀取時(shí)配置的。

（6）檢查錯(cuò)誤

?配置FPGA后，如果INIT_B和DONE被斷言，則這表示成功讀取結(jié)束。

?但是，如果INIT_B和/或DONE引腳保持低位，固件將加載已知的良好配置（即Golden比特流）并重新配置FPGA。這被稱為配置回退。

4.結(jié)論

本文介紹的FPGA配置解決方案降低了包含微處理器、SPI Flash和FPGA的典型系統(tǒng)的硬件和固件要求。它利用了FPGA串行配置模式和SPI存儲器之間的兼容性。