串行配置和并行配置模式下的多片FPGA配置数据流加载方式

引言：在需要多个FPGA芯片的应用中，如果JTAG链上所有FPGA采用相同配置，可以通过“成组”加载方式同时加载；如果每个FPGA需要采用不同的配置数据流，可以通过“菊花链”加载方式或者使用外部逻辑依次加载。本文分别介绍串行配置和并行配置模式下的多片FPGA配置数据流加载方式。

1.菊花链串行配置模式（串行，多片FPGA采用不同配置流）

单一配置源可以通过利用串行菊花链方式加载多片7系列FPGA。在串行菊花链中，器件通过DIN管脚接收配置数据，通过DOU管脚将配置数据传输给下游器件。离配置源最近的器件称为最上游器件，离配置源最远的器件称为最下游器件。如下图所示。

图1 Slave串行模式菊花链配置

在串行菊花链中，所有器件都设置为串行模式，配置时钟由外部提供，如图1中的Processor设备。如图1所示：

1）DONE管脚为开路输出，在Slave串行菊花链中应连接在一起，在最远一片FPGA上拉；

2）INIT_B管脚为双向管脚，开路，需要外部上拉电阻；

3）比特流启动时钟必须设置为CCLK。     

串行菊花链中的第一个器件是最后加载数据流的。在配置链中的最后一个器件完成配置，并通过CRC校验，进入启动顺序。在所有器件释放它们的DONE管脚后，DONE信号上拉为高或者有链路中第一个器件驱动为高。

7系列FPGA与早期Virtex/Spartan系列FPGA串行菊花链连接考虑

1）许多较旧的FPGA设备无法接受7系列设备所能产生的CCLK频率。选择链中所有设备支持的配置CCLK速度；

2）7系列设备应始终位于串行菊花链的开头，而较旧的系列设备位于链的末端；

3）为7系列FPGA位流选项提供的指南应尽可能适用于串行菊花链中的所有设备；

4）设备可通过其DOUT引脚的配置位数有限。对于从Virtex II系列开始的7系列和Virtex设备，限制为4294967264位。对于Spartan-6和Spartan-3代设备，限制为2147483632位。所有下游设备的比特流长度总和不得超过此数字。

串行菊花链配置设计要点

1）启动顺序

应在DONE之前或在DONE的同一周期内释放，以确保所有DONE引脚释放后，设备可正常工作。

2）连接所有DONE管脚     

所有设备的DONE引脚必须以串行菊花链连接，以防止配置失败。出于调试目的，有一种断开单个DONE的方法通常很有用，从而可以通过串行或JTAG接口单独配置设备。

3）DONE管脚上升时间     

释放所有DONE引脚后，DONE引脚应从逻辑0上升到逻辑1。如果DONE信号上升需要额外的时间，可以通过DonePipe选项设置，参看UG628。

2.成组串行配置模式（串行，多片FPGA采用相同配置流）     

使用成组串行配置设置，可以从同一位流源同时配置多个设备（图9-2）。在这种布置中，串行配置引脚被连接在一起，使得每个设备看到相同的信号转变。对于成组串行配置，所有设备必须相同。配置可以由外部配置控制器驱动，从闪存或其他存储器读取位流。

图2 成组串行配置模式 如图2所示：

1）DONE引脚为漏极开路输出；

2）INIT_B引脚是双向开放漏极引脚。需要外部上拉电阻器；

3）必须为串行配置的CCLK设置启动时钟设置；

4）对于成组串行配置，所有设备必须相同（相同的ID CODE），并且必须使用相同的比特流进行配置。

成组串行配置考虑要点

1）启动顺序

应在DONE之前或在DONE的同一周期内释放，以确保所有DONE引脚释放后，设备可正常工作。

2）DONE管脚可断开

出于调试目的，有一种断开单个DONE的方法通常很有用，从而可以通过串行或JTAG接口单独配置设备。

3）CCLK作为电路板时钟信号布局布线    

CCLK信号相对较慢，但7系列FPGA输入缓冲器上的边缘速率非常快。即使CCLK信号上的轻微信号完整性问题也会导致配置失败。典型的故障症状是DONE仍然为低，INIT_B为高。因此建议采用注重信号完整性的设计实践，包括IBIS的信号完整性仿真。

4）用于组合串行配置的PROM

用于组合串行配置的PROM文件与用于配置单个设备的PROM相同。没有特殊的PROM文件注意事项。

3.成组串行配置模式（并行Slave，多片FPGA采用不同配置流）

处于从属SelectMAP模式的多个7系列设备可以连接在一个公共SelectMAP总线上，如图3所示。在SelectMAP总线中，DATA、CCLK、RDWR_B、PROGRAM_B、DONE和INIT_B引脚在所有设备之间共享公共连接。

为了允许单独访问每个设备，不得将CSI_B（芯片选择）输入连接在一起。需要CSI_B信号的外部控制，通常由微处理器或CPLD提供。

图3 从属SelectMAP模式的多个7系列设备

如果要在配置后对设备执行回读，则必须正确处理RDWR_B信号。否则，RDWR_B可能被绑定为低。

如图3所示：

1）DONE引脚为漏极开路输出；

2）INIT_B引脚是双向开放漏极引脚。需要外部上拉电阻器；

3）不支持回退重新配置；

4）必须为SelectMAP配置的CCLK设置启动时钟设置；

5）需要诸如微处理器或CPLD的外部控制器来控制配置；

6）数据总线可以是x8、x16或x32（用于从属SelectMAP）。

4. 并行菊花链配置模式（主/从并行，多片FPGA采用不同配置流）

7系列FPGA配置支持并行菊花链。图4显示了BPI模式下主导设备的示例示意图。

主导设备也可以处于主或从SelectMAP模式。D[15:00]、CCLK、RDWR_B、PROGRAM_B、DONE和INIT_B引脚在所有设备之间共享公共连接。CSI_B引脚为菊花链。

图4 并行菊花链

如图4所示：

1）DONE引脚为漏极开路输出；

2）INIT_B引脚是双向开放漏极引脚，需要外部上拉；

3）必须为SelectMAP配置的CCLK设置启动时钟设置；

4）应启用FCS_B、FWE_B、FOE_B、CSO_B弱上拉电阻器，否则每个引脚需要外部上拉电阻器。默认情况下，所有多功能I/O都具有配置后的弱下拉；

5）链中的第一个设备可以是主SelectMAP、从SelectMAP或BPI。以下设备必须处于从属SelectMAP模式；

6）不支持并行菊花链方案中的回读；

7）不支持回退重新配置。

5. 并行成组配置模式（并行，多片FPGA采用相同配置流）

也可以通过使用成组的SelectMAP配置，使用相同的配置位流同时配置多个设备。

如图5所示，在成组SelectMAP布置中，两个或更多设备的CSI_B引脚连接在一起（或连接到GND），使所有设备识别D引脚上显示的数据。

图5 成组的SelectMAP配置

如图5所示，如果外部振荡器可用，所有设备都可以设置为Slave SelectMAP模式。

1）不支持同步SelectMAP模式；

2）不支持回退重新配置；

3）DONE引脚为漏极开路输出；

4）INIT_B引脚是一个双向开放漏极引脚，需要外部上拉电阻器；

5）必须为SelectMAP配置的CCLK设置启动时钟设置；

6）公共DONE信号上需要一个外部上拉电阻器。由于扇出增加，设计者必须仔细关注信号的完整性。建议进行信号完整性模拟；

7）如果CSI_B信号连接在一起，则无法进行回读，因为所有设备都同时尝试驱动数据信号。

审核编辑：刘清