7系列FPGA上电的配置流程

一、FPGA配置引脚说明

1、CFGBVS
如果VCCO0连接至2.5V或3.3V，CFGBVS连接至VCCO0。
如果VCCO0连接至1.5V或1.8V，CFGBVS连接至GND。
建议bank0、bank14、bank15的VCCO电压一致，避免出现I/O Transition at the End of Startup（建议按照下表进行配置）

2、M[2:0]
模式配置引脚，按照下表进行选择。

3、PROGRAM_B（input）
低电平有效，为低时，配置信息被清空，将配置过程重新进行。上电时保持PROGRAM_B为低电平不会使FPGA配置保持复位状态。而是使用INIT_B来延迟上电配置序列。

4、INIT_B（inout）
FPGA处于配置复位状态，FPGA正在初始化（清除）其配置存储器时，或者当FPGA检测到配置错误时，FPGA将此引脚驱动为低电平。在上电期间，INIT_B可以在外部保持低电平，以在初始化过程结束时停止上电配置序列。当初始化过程后在INIT_B输入检测到高电平时，FPGA继续执行M [2：0]引脚设置所指示的配置序列的其余部分。

5、VCCBATT
VCCBATT是FPGA内部易失性存储器的电池备用电源，用于存储AES解密器的密钥。如果不要求使用易失性密钥存储区中的解密密钥，请将此引脚连接到GND或VCCAUX。

二、使用EMCCLK引脚，全速加载程序
由于CCLK引脚存在容差，因此可以使用比CCLK更精准的时钟EMCCLK引脚。使能该功能时需要如下步骤：
1、使能ExtMasterCclk_en比特流生成选项
2、定义EMCCLK目标电压。Bank 14有另一个定义了IOSTANDARD的引脚。 在BANK14上定义的电压自动应用于EMCCLK。使用BITSTREAM.CONFIG.EXTMASTERCCLK_EN属性在Vivado中设置ExMasterCclk_en选项

三、FPGA加载时序

上电时序图

上电时序图

上电配置流程

其配置过程分解为8个步骤。

1、上电
7系列器件需要为VCCO_0，VCCAUX，VCCBRAM和VCCINT引脚供电。上电时，VCCINT电源引脚必须提供1.0V或0.9V（适用于-2L）电源。 在JTAG模式下，除VCCO_0之外的任何I / O电源都不需要为7系列FPGA配置供电。 当选择使用多功能引脚的配置模式（即串行，主BPI，SPI，SelectMAP）时，还必须提供VCCO_14，VCCO_15或两者。上电后，可以通过将PROGRAM_B引脚切换为低电平来重新配置。

应用：此步可以用来使用看门狗电路重新加载FPGA，亦或通过其他器件（DSP、CPLD等）对FPGA重新加载的控制。

2、清除配置内存
在器件上电后，PROGRAM_B引脚脉冲为低电平，使用JTAG JPROGRAM指令或IPROG命令后，或在回退重试配置序列期间，配置存储器将被顺序清零。 块RAM被复位到其初始状态，并且通过断言全局置位复位（GSR）重新初始化触发器。 在此期间，除少数配置输出引脚外，通过使用全局三态（GTS）将I / O置于高阻态，如果PUDC_B为低电平，则内部上拉。 INIT_B在初始化期间内部驱动为低电平，然后在TPOR之后用于上电情况，而TPL用于其他情况。 如果INIT_B引脚从外部保持为低电平，器件将在初始化过程中等待，直到引脚被释放，并且满足TPOR或TPL延迟。

3、采样M2:0引脚
当INIT_B引脚为高电平时，器件对M [2：0]模式引脚进行采样，如果处于主模式，则开始驱动CCLK。 此时，器件开始在配置时钟的上升沿对配置数据输入引脚进行采样。 对于BPI和SelectMAP模式，总线宽度最初为x8，状态寄存器反映了这一点。 在总线宽度检测序列之后，状态寄存器被更新。 仅在通过重新上下电或PROGRAM_B的置位进行重新配置时，才会再次对模式引脚进行采样。

4、同步
对于BPI，Slave SelectMAP和Master SelectMAP模式，必须首先检测总线宽度。 从串行，主串行，SPI和JTAG模式忽略总线宽度检测模式。 然后必须将特殊的32位同步字（0xAA995566）发送到配置逻辑。 同步字警告设备即将到来的配置数据，并将配置数据与内部配置逻辑对齐。 除“总线宽度自动检测”序列外，忽略同步前配置输入引脚上的任何数据。 同步对大多数用户是透明的，因为工具生成的所有配置比特流（BIT文件）都包括总线宽度检测模式和同步字。

同步检测信号

5、检查设备ID
设备同步后，必须先通过设备ID检查才能加载配置数据帧。这可以防止使用为不同设备格式化的比特流进行配置。 如果在配置期间发生ID错误，则设备会尝试执行回退重新配置。设备ID检查内置于比特流中，使此步骤对大多数设计人员而言都是透明的。器件ID检查通过比特流中的命令执行到配置逻辑，而不是通过JTAG IDCODE寄存器执行。

ID注解

6、加载数据
加载同步字并检查设备ID后，将加载配置数据帧。此过程对大多数用户是透明的。

7、循环冗余校验
当加载配置数据帧时，设备从配置数据包计算循环冗余校验（CRC）值。 加载配置数据帧后，配置比特流可以向设备发出校验CRC指令，然后是预期的CRC值。 如果设备计算的CRC值与比特流中的预期CRC值不匹配，则设备将INIT_B拉低并中止配置。 CRC校验默认包含在配置比特流中。

对于加密比特流（当BITSTREAM.ENCRYPTION.ENCRYPT属性为是时），禁用CRC校验，而HMAC验证加密的比特流数据。 比特流数据中的错误在BOOTSTS寄存器中报告为HMAC错误。

如果在配置为FPGA为配置主机的模式期间发生CRC错误，则设备可以尝试进行回退重配置。 在BPI和SPI模式下，如果回退重新配置再次失败，则BPI / SPI接口只能通过脉冲PROGRAM_B引脚重新同步，并从头开始重新启动配置过程。 JTAG接口仍然响应，设备仍处于活动状态，只有BPI / SPI接口无法运行。

7系列器件使用32位CRC校验。 CRC校验旨在捕获传输配置比特流时的错误。 存在这样的情况：CRC校验可能错过传输配置比特流的错误：某些时钟错误（例如双时钟）可能导致32位比特流分组与配置逻辑之间的同步丢失。 同步丢失后，不理解任何后续命令，包括检查CRC的命令。 在这种情况下，配置因DONE Low和INIT_B High而失败，因为CRC被忽略。 在BPI模式异步读取中，地址计数器最终溢出或下溢以导致环绕，从而触发回退重新配置。 BPI同步读取模式不支持环绕错误条件。

8、启动
加载配置帧后，比特流指示设备进入启动序列。 启动序列由8相（0-7阶段）顺序状态机控制。 启动顺控程序执行下表中列出的任务。每个启动事件的特定阶段是用户可编程的。

可以强制启动序列等待MMCM锁定或使DCI与适当的选项匹配。 这些选项通常设置为在MMCM锁定和/或DCI匹配之前阻止DONE，GTS和GWE被置位（阻止设备操作）。

DONE信号由启动定序器在用户指示的周期中释放，但启动定序器不会继续，直到DONE引脚实际看到逻辑高电平。 DONE引脚是开漏双向信号。 通过释放DONE引脚，器件停止驱动逻辑低电平，并通过内部上拉电阻上拉引脚。 默认情况下，DONE_PIPE被使能，以在DONE引脚和配置逻辑之间添加寄存器。

与启动序列发生器有关的信号

与启动序列发生器有关的信号时序
默认情况下，在启动的第4阶段释放DONE，并启用DONE_PIPE以添加一个额外的延迟时钟周期。 DONE表示配置已完成且所有数据已加载，但需要应用一些额外的时钟周期以确保启动顺序正确完成到第7阶段，即启动结束。 DONE为24后，所需时钟周期的保守数字; 这将解释最常见的用例。 比特流选项LCK_cycle或Match_cycle将添加未定义的额外数量的时钟周期。

在Spartan-7，Artix-7和Kintex-7系列中，如果bank的VCCO为1.8V或更低，那么在I / O bank上有多功能配置引脚，并且该bank上的引脚是 低或浮动，然后输入可能在配置启动期间有0-1-0过渡到互连逻辑。 由于此转换发生在GWE启用内部逻辑之后，因此可能会在配置后影响设备的内部状态。 在EOS（启动结束）之后，转换发生一个CFGCLK。 为避免这种转换，将VCCO_14和VCCO_15设置为2.5V或3.3V，或者将引脚驱动为外部高电平（见表5-13）。 否则，逻辑应设计为忽略这些受影响的输入信号，直到在EOS上升沿之后的一个CFGCLK之后至少200 ns。 可以使用STARTUPE2监视CFGCLK和EOS。

四、配置文件格式
烧写配置文件包括四种，其中MCS、BIN和HEX文件为固化文件，直接烧写到FPGA外挂的存储器中。

五、MultiBoot
7系列FPGA MultiBoot和后备功能支持现场更新系统。 比特流图像可以在现场动态升级。 FPGA MultiBoot功能可以实时切换图像。 在MultiBoot配置过程中检测到错误时，FPGA可以触发回退功能，确保可以将已知良好的设计加载到设备中。

发生回退时，内部生成的脉冲会复位整个配置逻辑，但专用的MultiBoot逻辑，热启动开始地址（WBSTAR）和启动状态（BOOTSTS）寄存器除外。 该复位脉冲将INIT_B和DONE拉低，清除配置存储器，并从地址0重新开始配置过程，并将修订选择（RS）引脚驱动为00.复位后，比特流将覆盖WBSTAR起始地址。

在配置期间，以下错误可能会触发回退：IDCODE错误、CRC错误、看门狗超时、BPI地址环绕错误。

也可以使用比特流选项ConfigFallback启用后备。 在回退重新配置期间忽略嵌入式IPROG。 在回退重新配置期间禁用看门狗定时器。 如果回退重新配置失败，则配置停止，INIT_B和DONE都保持为低。

六、BPI - 硬件RS引脚设计注意事项
在BPI模式下，RS引脚需要连接到高位地址位，其中一个RS引脚上的上拉电阻连接到高位地址线。 使用此硬件实现，系统不包括WBSTAR地址，并且每个图像的比特流选项相同。

默认情况下禁用两用RS引脚。 在BPI或Master SelectMAP模式的回退期间，RS引脚驱动为低电平，但在SPI模式期间不会驱动为低电平。 对于初始MultiBoot系统，RS引脚分别连接到闪存的高位地址位，并分别通过上拉或下拉电阻绑定为高电平或低电平。 上电时，系统将引导至由RS上的上拉电阻和地址线连接定义的高位地址空间。 在回退期间，RS引脚驱动为低电平，器件从地址空间0引导.RS引脚应连接到系统定义的高位地址，以允许将完整位文件存储在每个存储器段中。

七、多FPGA JTAG菊花链

来源：电子创新网

审核编辑黄昊宇