7系列FPGA上電配置流程

一、FPGA配置引腳說明

1、CFGBVS
如果VCCO0連接至2.5V或3.3V，CFGBVS連接至VCCO0。
如果VCCO0連接至1.5V或1.8V，CFGBVS連接至GND。
建議bank0、bank14、bank15的VCCO電壓一致，避免出現(xiàn)I/O Transition at the End of Startup（建議按照下表進(jìn)行配置）

2、M[2:0]
模式配置引腳，按照下表進(jìn)行選擇。

3、PROGRAM_B（input）
低電平有效，為低時(shí)，配置信息被清空，將配置過程重新進(jìn)行。上電時(shí)保持PROGRAM_B為低電平不會(huì)使FPGA配置保持復(fù)位狀態(tài)。而是使用INIT_B來延遲上電配置序列。

4、INIT_B（inout）
FPGA處于配置復(fù)位狀態(tài)，F(xiàn)PGA正在初始化（清除）其配置存儲(chǔ)器時(shí)，或者當(dāng)FPGA檢測(cè)到配置錯(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)PGA將此引腳驅(qū)動(dòng)為低電平。在上電期間，INIT_B可以在外部保持低電平，以在初始化過程結(jié)束時(shí)停止上電配置序列。當(dāng)初始化過程后在INIT_B輸入檢測(cè)到高電平時(shí)，F(xiàn)PGA繼續(xù)執(zhí)行M [2：0]引腳設(shè)置所指示的配置序列的其余部分。

5、VCCBATT
VCCBATT是FPGA內(nèi)部易失性存儲(chǔ)器的電池備用電源，用于存儲(chǔ)AES解密器的密鑰。如果不要求使用易失性密鑰存儲(chǔ)區(qū)中的解密密鑰，請(qǐng)將此引腳連接到GND或VCCAUX。

二、使用EMCCLK引腳，全速加載程序
由于CCLK引腳存在容差，因此可以使用比CCLK更精準(zhǔn)的時(shí)鐘EMCCLK引腳。使能該功能時(shí)需要如下步驟：
1、使能ExtMasterCclk_en比特流生成選項(xiàng)
2、定義EMCCLK目標(biāo)電壓。Bank 14有另一個(gè)定義了IOSTANDARD的引腳。 在BANK14上定義的電壓自動(dòng)應(yīng)用于EMCCLK。使用BITSTREAM.CONFIG.EXTMASTERCCLK_EN屬性在Vivado中設(shè)置ExMasterCclk_en選項(xiàng)

三、FPGA加載時(shí)序

上電時(shí)序圖

上電時(shí)序圖

上電配置流程

其配置過程分解為8個(gè)步驟。

1、上電
7系列器件需要為VCCO_0，VCCAUX，VCCBRAM和VCCINT引腳供電。上電時(shí)，VCCINT電源引腳必須提供1.0V或0.9V（適用于-2L）電源。 在JTAG模式下，除VCCO_0之外的任何I / O電源都不需要為7系列FPGA配置供電。 當(dāng)選擇使用多功能引腳的配置模式（即串行，主BPI，SPI，SelectMAP）時(shí)，還必須提供VCCO_14，VCCO_15或兩者。上電后，可以通過將PROGRAM_B引腳切換為低電平來重新配置。

應(yīng)用：此步可以用來使用看門狗電路重新加載FPGA，亦或通過其他器件（DSP、CPLD等）對(duì)FPGA重新加載的控制。

2、清除配置內(nèi)存
在器件上電后，PROGRAM_B引腳脈沖為低電平，使用JTAG JPROGRAM指令或IPROG命令后，或在回退重試配置序列期間，配置存儲(chǔ)器將被順序清零。 塊RAM被復(fù)位到其初始狀態(tài)，并且通過斷言全局置位復(fù)位（GSR）重新初始化觸發(fā)器。 在此期間，除少數(shù)配置輸出引腳外，通過使用全局三態(tài)（GTS）將I / O置于高阻態(tài)，如果PUDC_B為低電平，則內(nèi)部上拉。 INIT_B在初始化期間內(nèi)部驅(qū)動(dòng)為低電平，然后在TPOR之后用于上電情況，而TPL用于其他情況。 如果INIT_B引腳從外部保持為低電平，器件將在初始化過程中等待，直到引腳被釋放，并且滿足TPOR或TPL延遲。

3、采樣M2:0引腳
當(dāng)INIT_B引腳為高電平時(shí)，器件對(duì)M [2：0]模式引腳進(jìn)行采樣，如果處于主模式，則開始驅(qū)動(dòng)CCLK。 此時(shí)，器件開始在配置時(shí)鐘的上升沿對(duì)配置數(shù)據(jù)輸入引腳進(jìn)行采樣。 對(duì)于BPI和SelectMAP模式，總線寬度最初為x8，狀態(tài)寄存器反映了這一點(diǎn)。 在總線寬度檢測(cè)序列之后，狀態(tài)寄存器被更新。 僅在通過重新上下電或PROGRAM_B的置位進(jìn)行重新配置時(shí)，才會(huì)再次對(duì)模式引腳進(jìn)行采樣。

4、同步
對(duì)于BPI，Slave SelectMAP和Master SelectMAP模式，必須首先檢測(cè)總線寬度。 從串行，主串行，SPI和JTAG模式忽略總線寬度檢測(cè)模式。 然后必須將特殊的32位同步字（0xAA995566）發(fā)送到配置邏輯。 同步字警告設(shè)備即將到來的配置數(shù)據(jù)，并將配置數(shù)據(jù)與內(nèi)部配置邏輯對(duì)齊。 除“總線寬度自動(dòng)檢測(cè)”序列外，忽略同步前配置輸入引腳上的任何數(shù)據(jù)。 同步對(duì)大多數(shù)用戶是透明的，因?yàn)楣ぞ呱傻乃信渲帽忍亓鳎˙IT文件）都包括總線寬度檢測(cè)模式和同步字。

同步檢測(cè)信號(hào)

5、檢查設(shè)備ID
設(shè)備同步后，必須先通過設(shè)備ID檢查才能加載配置數(shù)據(jù)幀。這可以防止使用為不同設(shè)備格式化的比特流進(jìn)行配置。 如果在配置期間發(fā)生ID錯(cuò)誤，則設(shè)備會(huì)嘗試執(zhí)行回退重新配置。設(shè)備ID檢查內(nèi)置于比特流中，使此步驟對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言都是透明的。器件ID檢查通過比特流中的命令執(zhí)行到配置邏輯，而不是通過JTAG IDCODE寄存器執(zhí)行。

ID注解

6、加載數(shù)據(jù)
加載同步字并檢查設(shè)備ID后，將加載配置數(shù)據(jù)幀。此過程對(duì)大多數(shù)用戶是透明的。

7、循環(huán)冗余校驗(yàn)
當(dāng)加載配置數(shù)據(jù)幀時(shí)，設(shè)備從配置數(shù)據(jù)包計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）值。 加載配置數(shù)據(jù)幀后，配置比特流可以向設(shè)備發(fā)出校驗(yàn)CRC指令，然后是預(yù)期的CRC值。 如果設(shè)備計(jì)算的CRC值與比特流中的預(yù)期CRC值不匹配，則設(shè)備將INIT_B拉低并中止配置。 CRC校驗(yàn)?zāi)J(rèn)包含在配置比特流中。

對(duì)于加密比特流（當(dāng)BITSTREAM.ENCRYPTION.ENCRYPT屬性為是時(shí)），禁用CRC校驗(yàn)，而HMAC驗(yàn)證加密的比特流數(shù)據(jù)。 比特流數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤在BOOTSTS寄存器中報(bào)告為HMAC錯(cuò)誤。

如果在配置為FPGA為配置主機(jī)的模式期間發(fā)生CRC錯(cuò)誤，則設(shè)備可以嘗試進(jìn)行回退重配置。 在BPI和SPI模式下，如果回退重新配置再次失敗，則BPI / SPI接口只能通過脈沖PROGRAM_B引腳重新同步，并從頭開始重新啟動(dòng)配置過程。 JTAG接口仍然響應(yīng)，設(shè)備仍處于活動(dòng)狀態(tài)，只有BPI / SPI接口無法運(yùn)行。

7系列器件使用32位CRC校驗(yàn)。 CRC校驗(yàn)旨在捕獲傳輸配置比特流時(shí)的錯(cuò)誤。 存在這樣的情況：CRC校驗(yàn)可能錯(cuò)過傳輸配置比特流的錯(cuò)誤：某些時(shí)鐘錯(cuò)誤（例如雙時(shí)鐘）可能導(dǎo)致32位比特流分組與配置邏輯之間的同步丟失。 同步丟失后，不理解任何后續(xù)命令，包括檢查CRC的命令。 在這種情況下，配置因DONE Low和INIT_B High而失敗，因?yàn)镃RC被忽略。 在BPI模式異步讀取中，地址計(jì)數(shù)器最終溢出或下溢以導(dǎo)致環(huán)繞，從而觸發(fā)回退重新配置。 BPI同步讀取模式不支持環(huán)繞錯(cuò)誤條件。

8、啟動(dòng)
加載配置幀后，比特流指示設(shè)備進(jìn)入啟動(dòng)序列。 啟動(dòng)序列由8相（0-7階段）順序狀態(tài)機(jī)控制。 啟動(dòng)順控程序執(zhí)行下表中列出的任務(wù)。每個(gè)啟動(dòng)事件的特定階段是用戶可編程的。

可以強(qiáng)制啟動(dòng)序列等待MMCM鎖定或使DCI與適當(dāng)?shù)倪x項(xiàng)匹配。 這些選項(xiàng)通常設(shè)置為在MMCM鎖定和/或DCI匹配之前阻止DONE，GTS和GWE被置位（阻止設(shè)備操作）。

DONE信號(hào)由啟動(dòng)定序器在用戶指示的周期中釋放，但啟動(dòng)定序器不會(huì)繼續(xù)，直到DONE引腳實(shí)際看到邏輯高電平。 DONE引腳是開漏雙向信號(hào)。 通過釋放DONE引腳，器件停止驅(qū)動(dòng)邏輯低電平，并通過內(nèi)部上拉電阻上拉引腳。 默認(rèn)情況下，DONE_PIPE被使能，以在DONE引腳和配置邏輯之間添加寄存器。

與啟動(dòng)序列發(fā)生器有關(guān)的信號(hào)

與啟動(dòng)序列發(fā)生器有關(guān)的信號(hào)時(shí)序
默認(rèn)情況下，在啟動(dòng)的第4階段釋放DONE，并啟用DONE_PIPE以添加一個(gè)額外的延遲時(shí)鐘周期。 DONE表示配置已完成且所有數(shù)據(jù)已加載，但需要應(yīng)用一些額外的時(shí)鐘周期以確保啟動(dòng)順序正確完成到第7階段，即啟動(dòng)結(jié)束。 DONE為24后，所需時(shí)鐘周期的保守?cái)?shù)字; 這將解釋最常見的用例。 比特流選項(xiàng)LCK_cycle或Match_cycle將添加未定義的額外數(shù)量的時(shí)鐘周期。

在Spartan-7，Artix-7和Kintex-7系列中，如果bank的VCCO為1.8V或更低，那么在I / O bank上有多功能配置引腳，并且該bank上的引腳是 低或浮動(dòng)，然后輸入可能在配置啟動(dòng)期間有0-1-0過渡到互連邏輯。 由于此轉(zhuǎn)換發(fā)生在GWE啟用內(nèi)部邏輯之后，因此可能會(huì)在配置后影響設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)。 在EOS（啟動(dòng)結(jié)束）之后，轉(zhuǎn)換發(fā)生一個(gè)CFGCLK。 為避免這種轉(zhuǎn)換，將VCCO_14和VCCO_15設(shè)置為2.5V或3.3V，或者將引腳驅(qū)動(dòng)為外部高電平（見表5-13）。 否則，邏輯應(yīng)設(shè)計(jì)為忽略這些受影響的輸入信號(hào)，直到在EOS上升沿之后的一個(gè)CFGCLK之后至少200 ns。 可以使用STARTUPE2監(jiān)視CFGCLK和EOS。

四、配置文件格式
燒寫配置文件包括四種，其中MCS、BIN和HEX文件為固化文件，直接燒寫到FPGA外掛的存儲(chǔ)器中。

五、MultiBoot
7系列FPGA MultiBoot和后備功能支持現(xiàn)場(chǎng)更新系統(tǒng)。 比特流圖像可以在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)升級(jí)。 FPGA MultiBoot功能可以實(shí)時(shí)切換圖像。 在MultiBoot配置過程中檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)PGA可以觸發(fā)回退功能，確保可以將已知良好的設(shè)計(jì)加載到設(shè)備中。

發(fā)生回退時(shí)，內(nèi)部生成的脈沖會(huì)復(fù)位整個(gè)配置邏輯，但專用的MultiBoot邏輯，熱啟動(dòng)開始地址（WBSTAR）和啟動(dòng)狀態(tài)（BOOTSTS）寄存器除外。 該復(fù)位脈沖將INIT_B和DONE拉低，清除配置存儲(chǔ)器，并從地址0重新開始配置過程，并將修訂選擇（RS）引腳驅(qū)動(dòng)為00.復(fù)位后，比特流將覆蓋WBSTAR起始地址。

在配置期間，以下錯(cuò)誤可能會(huì)觸發(fā)回退：IDCODE錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、看門狗超時(shí)、BPI地址環(huán)繞錯(cuò)誤。

也可以使用比特流選項(xiàng)ConfigFallback啟用后備。 在回退重新配置期間忽略嵌入式IPROG。 在回退重新配置期間禁用看門狗定時(shí)器。 如果回退重新配置失敗，則配置停止，INIT_B和DONE都保持為低。

六、BPI - 硬件RS引腳設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在BPI模式下，RS引腳需要連接到高位地址位，其中一個(gè)RS引腳上的上拉電阻連接到高位地址線。 使用此硬件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)不包括WBSTAR地址，并且每個(gè)圖像的比特流選項(xiàng)相同。

默認(rèn)情況下禁用兩用RS引腳。 在BPI或Master SelectMAP模式的回退期間，RS引腳驅(qū)動(dòng)為低電平，但在SPI模式期間不會(huì)驅(qū)動(dòng)為低電平。 對(duì)于初始MultiBoot系統(tǒng)，RS引腳分別連接到閃存的高位地址位，并分別通過上拉或下拉電阻綁定為高電平或低電平。 上電時(shí)，系統(tǒng)將引導(dǎo)至由RS上的上拉電阻和地址線連接定義的高位地址空間。 在回退期間，RS引腳驅(qū)動(dòng)為低電平，器件從地址空間0引導(dǎo).RS引腳應(yīng)連接到系統(tǒng)定義的高位地址，以允許將完整位文件存儲(chǔ)在每個(gè)存儲(chǔ)器段中。

七、多FPGA JTAG菊花鏈