AMD FPGA的SelectMAP加载模式

一. AMD FPGA的加载模式简介

在不带内置ARM核的AMD FPGA产品系列中，FPGA的程序加载方式并没有发生大的变化，仍旧采用JTAG、Master SPI、Serial Configuration、Master BPI、Select MAP几种加载模式，关于每种加载模式的电路图和工作原理不再进行描述，每个产品系列的configuration guide中都有详细描述，关于这部分的硬件设计和工作原理，用户可以参考对应的文档如UG470、UG570等。

在不同系列的pure FPGA产品发展过程中，加载模式发生了一些细微变化简述如下：

A. 自7系列产品开始Master SPI加载模式增加了x2、x4模式，自Ultrascale系列开始在x2、x4的基础上又增加了x8模式（dual quad SPI模式）；

B. 自7系列产品开始不再支持AMD自有的FLASH PROM产品，也不再更新自有的FLASH PROM产品，在UG908文档中不断更新测试过的第三方FLASH，如Micron、Spansion、ISSI等厂商的SPI FLASH和BPI FLASH；

带内置ARM核的SOC产品中，芯片内部集成了bootrom并且需要使用FirstBootloader来进行加载，因此其加载模式和加载流程与pure FPGA器件有区别，常见的boot mode包括JTAG模式、QSPI模式、SD Card模式、EMMC模式、NAND模式、USB模式等，详细描述可以参考UG585和UG1085文档中的boot and configuration章节，SOC系列产品的加载方式我们将在以后文章中单独说明。

本文的写作初衷是介绍Select MAP加载模式，因此后面的描述基本都是基于不带内置ARM核的FPGA来展开。

二. bit、bin和mcs文件的区别

在使用JTAG或者其他芯片来Program FPGA和FLASH时，我们最常用到的三个文件是bitstream文件、bin文件和mcs文件，最常遇到的问题是这三个文件有什么区别，在这一章节中我们不展开对文件内部详细数据格式的解析，主要针对这三个文件的主要差别和使用场景进行对比和描述。

在configuration userguide中，有如下描述：

bit、bin和mcs文件

我截取一个真实bitstream文件的开始部分，如下图：

bit文件前端内容

我们在JTAG Program FPGA的时候，使用的是bitstream文件；在Serial模式、SPIx1模式Program FLASH的时候，bin文件和mcs文件都可以使用；在SPIx4模式、SPIx8模式、BPI模式、SelectMAP模式Program FLASH的时候，使用的是MCS文件；在SelectMAP模式使用外部其他芯片（如MCU、ARM、CPU、CPLD、FPGA）Program FPGA的时候，使用的是bin文件，但是需要我们自己做bit swap。

从上面两图展开介绍：bitstream文件开头部分包含工程名称、开发工具版本号、芯片型号、时间戳、加载位宽、同步头等信息，真正被Program进入FPGA的有效bit在同步头和紧跟着的NOP之后；在bin文件没有做bit swap的时候，bin文件直接从全FFFF的无效字段开始，比bitstream文件少了工程名称、开发工具版本号、芯片型号、时间戳、加载位宽、同步头等信息；而mcs文件通常比bitstream文件、bin文件大很多，是因为mcs文件中加入了对FLASH的操作命令以及其他一些信息，并且在多位数据位宽时，mcs文件中的有效数据部分根据加载位宽做了bit swap。

三. SelectMAP加载模式的优缺点
什么会有场景需要使用SelectMAP加载模式？SelectMAP加载模式有哪些优缺点呢？SelectMAP模式有如下特点：
A. 可以外供时钟给CCLK，频率确定；而Serial模式和Master SPI模式下FPGA自己震荡产生的CCLK频率低、频率不精确；----优点
B. SelectMAP模式可以支持8bit、16bit、32bit加载；----优点
C. 在板卡上有多个FPGA芯片、MCU+FPGA、ARM+FPGA等架构下，可以共用一个FLASH、SD卡、EMMC等存储介质来存储加载文件；----优点
D. 占用的IO数量多；----缺点
E. 需要外面一颗芯片来实现SelectMAP模式的加载；----缺点

综合以上特点，SelectMAP模式在两种应用场景中会有优势：

场景一：在使用Serial模式和Master SPI模式的时候，加载数据线位宽只能是1、2、4或8，在Master Serial和Master SPI模式下CCLK时钟由FPGA内部震荡产生，这个时钟频率是不准确的，而且我们在产生bitstream的配置选项中选择的configuration rate频率有限；所以在期望缩短加载时间的应用场景下，更高位宽更高CCLK频率的SelectMAP模式可以大大缩短加载时间。

场景二：在板卡上有多个芯片时，可以共用加载文件的存储介质，来减少存储介质芯片数量。

四. SelectMAP加载的硬件和软件设计

SelectMAP硬件设计：
在configuration userguide中给出了SelectMAP模式的硬件原理图示例：

单片FPGA的SelectMAP加载

多片FPGA的SelectMAP加载

Select MAP模式软件设计：
而FPGA前端负责实现Select MAP加载的主控器件，可以是MCU、CPLD、ARM、FPGA等，只需要按照如下时序将bin文件中的有效内容做bit swap后写入到FPGA即可。
以8bit SelectMAP模式为例：

连续数据loading SelectMAP模式

不连续数据loading SelectMAP模式

需要说明的是在SelectMAP模式中的bit swap，需要根据数据线位宽在主控器件中实现如下bit swap：

SelectMAP模式bit swap

如果前端主控器件是MCU、ARM、CPU，可以参考AMD官方参考设计XAPP583，C代码在XAPP583中可以获得；如果前端主控器件是CPLD或者FPGA，作者曾经写Verilog代码实现过一片小FPGA做主控、通过Select MAP模式加载多片FPGA，欢迎咨询作者本人。

审核编辑：汤梓红