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Spartan6系列之芯片配置模式详解

Spartan6系列之芯片配置模式详解

1. 配置概述
  Spartan6系列FPGA通过把应用程序数据导入芯片内部存储器完成芯片的配置。Spart-6 FPGA可以自己从外部非易失性存储器导入编程数据,或者通过外界的微处理器、DSP等对其进行编程。对以上任何一种情况,都有串行配置和并行配置之分,串行配置可以减少芯片对引脚的要求,并行配置对8bit/16bit Flash或者微处理器来说更合适。
因为Xilinx的FPGA器件的配置数据存储在CMOS 配置锁存器内(CCL),因此Spartan6 FPGA器件上电后必须重新配置。Spartan6器件有多种配置模式,包括:
JTAG配置模式
. Master Serial/SPI配置模式(X1,X2,X4)
. Slave Serial配置模式
. Master SelectMAP/BPI配置模式(X8,X16)
. Slave SelectMAP配置模式(X8,X16)

Spartan6系列FPGA的配置模式由引脚M[0:1]的状态决定(详细介绍见Spartan6系列之器件引脚功能详述),在主配置模式中,CCLK默认来自与内部的振荡器,也可以来自外部的GCLK0/USERCCLK.,the BitGen -g ConfigRate选项可以设置内部时钟的振荡频率,默认频率为2MHZ;无论M[0:1]状态如何,JTAG配置始终可用。
对一个FPGA系统来说,可以有多种配置模式,但往往只有一种配置模式最适合自己的目标系统,应该要进行慎重的选择。当然,FPGA可以重新装载多个镜像文件,因此可以为1片FPGA提供多个配置文件,典型的应用为:当FPGA上电时,装载一个自检的镜像文件,完成自检后重新装载最终的应用程序镜像文件。这种方法可大大提高FPGA的使用效率。
因为FPGA的外部存储器可以存储多个镜像文件,因此可以通过FPGA正在使用(已装载的镜像)更新外部存储器内容,实现远程镜像更新升级。
1.1. 主模式配置(master mode)
  由FPGA自身将外部存储器的配置数据装载进内部的模式称为主模式配置;主配置模式的各种连接方式如下图1所示,左侧为串行配置连接方式,右侧为并行配置连接方式。

图 1主配置模式连接方式汇总

1.2. 从模式配置(slave mode)
由外部器件(主要指处理器)对FPGA进行配置的模式成为从模式;从配置模式的各种连接方式如下图1所示,左侧为串行配置连接方式,右侧为并行配置连接方式。

图 2从配置模式连接方式汇总

2. 具体配置模式详解
Spartan-6系列FPGA的配置模式由模式控制引脚决定,具体情况如表1所示。

表格 1Spartan-6 FPGA配置模式

2.1. JTAG配置模式
  在任何情况下,只要FPGA上电,就可以使用JTAG模式。
2.2. Serial配置模式
  在serial配置模式中,FPGA在每个CCLK周期载入1bit配置数据。

图 3Serial Configuration时序图

2.2.1. Master Serial配置模式
  在配置完成之前,done信号为0,将在整个配置过程中片选platform Flash;program_B是在配置FPGA之前对FPGA进行异步复位;由时序图可以看出,若没有CRC错误,FPGA的INIT_B是作为输出始终将platform Flash的OE置高。

图 4Master Serial Mode 配置电路图

2.2.2. Slave Serial配置模式
  对FPGA的异步复位(PROGRAM_B)既可以由外部器件如按钮产生,也可以由CPLD或microprocessor产生;数据及时钟信号均由CPLD等产生;

图 5Slave Serial 配置模式

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