深入浅出FPGA-13-IMPACT软件使用

IMPACT软件使用

 一般情况下，我是反感写这些内容的，找个UG看一下，然后练习一下，就会了，参考价值不大，这次破例，纯属冲动。

5.4.1 iMPACT综述与基本操作
1. iMPACT简介
iMPACT支持4种下载模式：边界扫描，从串模式、SelectMap模式以及Desktop配置模式。从串模式是一种常用配置电路，可用USB口或并口完成配置。SelectMap模式是一种并行配置模式，速度快，但需要使用多个信号管脚。Desktop模式是一种高速配置模式，可配置FPGA、 PROM以及SystemACE，但需要专用的硬件设备。在实际中，由于边界扫描模式标准统一、设备简单，且可通过JTAG链路配置FPGA、CPLD以及PROM，使用最为广泛。因此本节主要基于边界扫描模式来介绍IMPACT的使用方法。
当设计完成后，ISE调用BitGEN程序把布局布线后的.ncd文件转化成.bit文件，包括了配置数据和配置指令。如果使用JTAG模式，可直接将.bit文件通过iMPACT文件配置到FPGA芯片中。如果要用其它模式配置FPGA，则需要通过iMPACT进行格式转化，生成.mcs、.exo 以及.hex等文件格式，表M对常用的配置文件进行比较和说明。

表5-19 常用的Xilixn FPGA配置文件格式列表

对于FPGA器件，iMPACT能够直接将.bit位流文件下载到芯片中，或者将其转换为PROM器件的EXO/MCS文件格式，并下载到PROM芯片中。
2. iMPACT用户界面
有两种方法可以启动iMPACT软件，一种是在ISE过程管理区中，点击Generate Programming File前面的“+”号，再双击“Configure Device”，在ISE环境下运行；另一种是通过点击“开始 程序 ISE9.1 Accessories iMPACT”，在Windows环境下单独运行。其用户界面如图M所示。

图5-35 iMPACT的用户界面

iMPACT的用户界面主要由File、Edit、View、Operations、Options、Output、Debug、Window、Help菜单栏和常用工具栏组成。下面对常用的菜单栏操作进行简要介绍。

• File菜单

        File菜单包含了常见的文件操作，其中的“Initialize Chain”用于自动完成边界扫描JTAG链上的器件类型和数目；“Export Project to CDF”用于把向前项目信息保存到CDF（Chain Description File）文件中。

• Edit菜单

        Edit菜单包含了常用的配置操作，其中的“Add Device”用于手动创建JTAG扫描链时添加PROM或FPGA芯片；“Assign Configuration File”用于指定配置文件；“EDIT ROM”用于修改和删除PROM芯片；“Preference”用于设定iMPACT的通用选项。

• View菜单

        View菜单包含了各个窗口显示/关闭的操作。

• Operations菜单

Operations菜单包含了配置、验证、擦除以及各类验证操作。其中“Program”用于对器件编程，下载相应的配置文件；“Verify”用于验证下载是否正确；“Erase”用于擦除FPGA或PROM芯片内的内容。

• Options菜单

        Options菜单包含编程、擦除以及回读等选项。

• Output菜单

        Output菜单包含了常用的电缆操作。其中“Cable Auto Connect”用于电缆自动连接；“Disconnect All Cables”用于断开所有电缆

• Debug菜单

        Debug菜单包含了JTAG扫描连所有的调试操作。其中“Start/Stop Debug Chain”用于启动或停止调试；“Chain Integrity Test”用于扫描立案完整性测试；“IDCODE Test”用于IDCODE测试。

• Window菜单

        Window菜单包含了窗口管理操作，如关闭窗口、上一下/下一个窗口等。

• Help菜单

         Help菜单包含了iMPACT的在线帮助和版本信息。
5.4.2 使用IMPACT创建配置文件
一个设计经过综合、实现之后，需要为器件生成相应的编程文件。ISE中内嵌了比特流生成器，可生成FPGA以及PROM格式文件，从而实现动态配置，并验证数据是否正确。由于Xilinx FPGA支持多种配置模式，因此在完成数据配置之前，需要选择一个合适的模式，以避免出现编程错误
1. 配置参数设置窗口
        在过程窗口中，选中[Generate Programming File]并单击右键打开[Process Properties]窗口，在其中可完成对各类编程参数的选择和配置。
（1）通用参数设置窗口
        通用参数设置窗口如图5-36所示，主要选择配置文件的格式以及各种校验规则。

图5-36 通用参数（General Options）设置窗口

其中相应的选项说明如下： 

• Run Design Rules Checker（DRC）：运行设计规则校验。建议使用该功能，在位流文件生成中进行规则校验，这样可对NCD文件进行评估。其默认值为选中。
• Creat Bit File：创建位流文件。用于设计在实现后生成可配置的比特文件。其默认值为选中。
• Creat Binary Configuration File：创建二进制配置文件。其默认值为不选中。
• Creat ASCII Configuration File：创建ASCII配置文件。其默认值为不选中。
• Creat IEEE 1532 Configuration File：创建符合IEEE 1532标准的配置文件，仅对Virtex系列芯片有关。其默认值为不选中。
• Creat BitStream Compression：使能比特文件压缩功能，可节约PROM的存储空间。其默认值为不选中。
• Enable Debugging of Serial Mode BitStream：使能比特文件的调试功能。其默认值为不选中。
• Enable Cyclic Redundancy Checking（CRC）：使能循环冗余校验，在配置数据中添加4位校验码。其默认值为不选中。

（2）配置参数设置窗口
        配置参数设置窗口如图5-37所示，主要完成配置电路所用管脚内部电阻的选择。

图5-37 配置参数（Configuration Options）设置窗口

其相应的选项说明如下：

• Configuration Rate：配置数据速率。其默认值为4Mbps。
• Configuration Clk（Configuration Pins）：用于选择配置时钟管脚CCLK内部是否使用上拉电阻，有“Pull up”和“Float”两种选择。选择上拉可以减小时钟信号线上的干扰信号，默认值为选择内部上拉。
• Configuration Pin M0：用于选择模式控制管脚M0的内部电阻阻值，有“Pull Up”、“Float”和“Pull Down”3种选择，分别对应着上拉、悬空和下拉，其电阻值的范围为50 ~ 100 ，上拉和下拉能在一定程度上减小干扰。默认值为选择内部上拉。
• Configuration Pin M1：用于选择模式控制管脚M1的内部电阻阻值。同M0的说明。
• Configuration Pin M2：用于选择模式控制管脚M2的内部电阻阻值。同M0的说明
• Configuration Pin Program：用于选择编程控制管脚PROG的内部电阻阻值，有“Pull Up”、“Float”和“Pull Down”3种选择，分别对应着上拉、悬空和下拉，上拉和下拉能在一定程度上减小干扰，避免非法操作。默认值为选择内部上拉。
• Configuration Pin Done：用于选择DONE管脚的内部电阻阻值，有“Pull Up”、“Float”和“Pull Down”3种选择，分别对应着上拉、悬空和下拉，其电阻值的范围为2 ~ 18 。由于DONE信号为集电极开路输出，必须有终端电阻才能正常工作，如果外部电路中没有上拉电阻，则必须选择“Pull Up”；同样，在选择“Float”时，要保证外部电路中已有上拉电阻。
• Configuration Pin Init
• Configuration Pin CS
• Configuration Pin DIn
• Configuration Pin Busy
• Configuration Pin RdWr
• JTAG Pin TCK：用于选择JTAG时钟管脚TCK的内部电阻阻值，有“Pull Up”、“Float”和“Pull Down”3种选择，分别对应着上拉、悬空和下拉，建议选择内部上拉。默认值为选择内部上拉。
• JTAG Pin TDI：用于选择JTAG输入数据管脚TDI的内部电阻阻值，同TCK的说明。
• JTAG Pin TDO：用于选择JTAG输出数据管脚TDO的内部电阻阻值，同TCK的说明。
• JTAG Pin TMS：用于选择JTAG测试模式选择管脚TMS的内部电阻阻值，同TCK的说明。
• Unused IO Pins：用于选择未用管脚的内部电阻选择，同TCK的说明。默认值为FFFFFFFF。
• User ID Code（8 Digital Hexadecimal）：用户码身份输入，其格式为8个16进制数。
• DCI Update Mode：用于选择设计DCI进行阻抗调整的模式，有“As Required”、“Continuous”和“Quiet（Off）”3种选择，分别对应着仅在需要时调整阻抗、连续调整阻抗以及达到初始后便不再调整阻抗的3种模式。默认值为“As Required”。

（3）配置启动参数设置窗口
配置启动参数设置窗口如图5-38所示，主要完成配置电路时钟信号以及时钟驱动方案的选择。

图5-38配置启动参数（Startup Options）设置窗口

注意：图M的配置窗口对于不同系列的FPGA芯片是略存区别的。对于早期的Virtex和Spartan-2系列，还会有“Release Set/Reset（Output Events）”等选项，用于设置多少个时钟周期后，复位/置位内部锁存器、触发器。
        其相应的选项说明如下：

• FPGA Start-Up Clock：用于选择FPGA芯片的配置时钟，有“CCLK”、“User Clock”和“JTAG Clock”3个可选项。当配置模式为主模式时，则配置时钟由FPGA芯片生成；当配置模式为从模式时，则配置时钟由外部提供。当配置PROM器件时，必须选择CCLK时钟；当选择JTAG模式的配置时钟，该时钟由JTAG接口TCK信号提供。用户自定义的配置时钟User Clock目前很少使用。默认值为CCLK。
• Enable Internal Done Pipe：用于选择是否等待插入的延迟信号CFG_DONE后，DONE管脚有效，对于高速配置方案非常有效。默认值为不选择。
• Done（Output Events）：用于设置多少个CFG_DONE周期后，使DONE信号有效。默认值为4。
• Enable Outputs（Output Events）：用于设置多少个时钟周期后，将输入、输出管脚从三态条件释放到实际的输入、输出结构。默认值为5。
• Release Write Enable（Output Events）：用于设置多少个时钟周期后，释放全局写信号到触发器和存储器。如果选择“Done”参数，表示当Done脚为高时，释放写使能信号；选择“Keep”，用于保持当前的写使能信号。默认值为6。
• Release DLL（Output Events）：用于设置等待多少个时钟周期后，DLL输出有效。默认值为“No Wait”。
• Match Cycle：用于设置是否等到DCI匹配后，再进入启动周期。默认值为“No Wait”。
• Drive Done Pin High：用于设置是否将Done置高。默认值为不选中。

（4）回读方式参数设置窗口
回读方式参数设置窗口如图5-39所示，主要用于回读文件格式和回读模式的设置。

图5-39 回读方式参数（Raedback Options）设置窗口

其相应的选项说明如下：

• Security：用于设置是否在回读和重新配置数据时设置保护模式，有“Enable Readback and Reconfiguration”、“Disable Readback”和“Disable Readback and Reconfiguration”3个选项，分别对应着使能回读和重新配置数据、禁止回读以及禁止回读和重新配置数据。其中，禁止回读和重配置是处于对设计保护考虑的；回读执行时，需要由M0/RTRIG脚产生一个上升沿来启动，需要一个外部的逻辑电路驱动CCLK时钟，以回读!RDATA管脚上的每一位数据。
• Create ReedBack Data Files：用于创建回读文件。默认值为不选中。
• Allow SelectMAP Pins to Persist：用于配置完成后是否保留SelectMAP配置模式的配置管脚。使能时，可利用其完成数据的回读，否则当配置完成后，配置管脚将被释放，变成用户管脚。默认值为不保留配置管脚。
• Creat Logic Allocation File：用于配置是否建立一个逻辑定位文件。该文件包含了锁存器、触发器、输入输出管脚的位流位置和块存储器的位流位置。默认值为不选中。
• Creat Mask File：用于配置是否选择建立屏蔽文件，用于确定位流文件中的一些位。默认值为不选择。

（5）加密参数设置窗口
加密参数设置窗口如图5-40所示，主要完成配置文件加密选项的设置。

图5-40加密参数（Encryption Options）设置窗口

其相应的选项说明如下：

• Encrypt Bitstream
• Key 0（Hex String）
• Input Encryption Key File

2．生成FPGA比特配置文件的操作
FPGA配置文件主要用于调试阶段快速地通过JTAG模式配置FPGA，断电后芯片内的逻辑立刻消失，每次上电都需要重新配置。该操作比较简单，首先，根据在配置启动参数中选择配置时钟为JTAG CLK，否则会产生警告，配置过程容易出错；其次，直接点击过程区的Generate Programming File即可，如图5-41所示。

图5-41 创建FPGA配置文件示意图

3．生成PROM比特配置文件的操作
只有生成PROM文件并下载PROM芯片中，才能保证FPGA上电后自动加载逻辑并正常工作。和生成FPGA配置文件相比，生成PROM配置文件较为麻烦，下面对其进行详细说明。
1）将设计经过前仿、综合、实现以及后仿，确保设计无误。单击过程管理区中“Generate Programming File”前面的“+”号，双击“Generate PROM，ACE，or JTAG File”运行文件生成工具，弹出的文件界面如图5-42所示。

图5-42 PROM配置文件生成工具界面                                                 图5-43 选择PROM芯片的类型和文件格式

2）单击“Next”按钮，进入PROM器件选择界面，如图5-43所示。下面以Xilinx PROM为例进行说明。选中Xilinx PROM，在文件格式“PROM File Format”中选择EXO，将PROM配置文件的名字改成“sqrt_test”，确定PROM的存放位置。
3）点击“Next”按钮，选择PROM器件的型号，如图5-44所示。可以选中“Auto Select PROM”选项，由iMPACT自动选择合适的PROM芯片，也可以手动在“Select a PROM”选项的下拉框中选择合适的PROM芯片，然后单击“Add”按钮添加选中的器件。可根据需要反复多次，添加多个PROM芯片。此外，对于 XCF08P以上的批ROM芯片，还可以使能修改和压缩功能。 

图5-44 选择PROM芯片的型号                                                             图5-45 PROM配置文件生成器综合信息显示窗口

4）单击“Next”，进入PROM文件综合信息显示窗口，如图5-45所示。如果确认信息无误，单击“Finish”，进入后续步骤；否则返回前面进行修改。
5）单击“Finish”后弹出的配置文件加载窗口如图5-46所示。

图5-46 比特文件选择界面

6）选择相应的文件后，单击“打开”按钮，将其加载。此时，iMPACT会根据加载的bit文件所对应的FPGA芯片计算PROM的容量，如果 PROM容量不够，会主动提醒用户修改PROM型号或者添加更多的PROM芯片；如果容量富裕，则会给出PROM的容量利用率，如图5-47所示。例如，图中给出的设计使用了81.66%的PROM容量。此时，还可以在PROM、FPGA器件的图标上点击右键分别更新芯片型号和相应的.bit文件。

图5-47 PROM容量显示界面

7）在iMPACT的过程管理窗口，双击“Generate File”，iMPACT会自动创建PROM配置文件。或在PROM上点击右键，选择“Generate File”也可完成。当配置文件创建成功后，显示文件大小以及所占PROM的容量，并在iMPACT界面上显示“PROM File Generation Succeeded”，如图5-48所示。

图5-48 PROM配置文件创建成功提示界面

5.4.3 使用IMPACT配置芯片

利用iMPACT配置芯片的操作流程见4.3.4节，这里就不再重复说明。

5.4.4 FPGA配置失败的常见问题

在配置FPGA器件时，经常会出现配置失败的情况，简单总结起来有下列几种情况，并给出响应的解决方案。
1． JTAG链扫描失败
解决方法：首先，检查所有芯片的TCK、TMS管脚是否和JTAG接口的TCK、TMS连接在一起；其次，检查配置电路的JTAG链路是否完整，从 JTAG接口的TDI到链首芯片的TDO、……、再到链尾芯片的TDO是否连接到JTAG接口的TDO；最后再检查电源是否正确。
2．无法通过计算机并口配置
解决方法：首先，检查计算机并口是否插好；其次，采用质量更好的并口配置电缆（Parallel Cable-IV）或信号质量更好的USB配置电缆，排除下载线的问题。目前，最好采用速度更快、可靠性更高的USB下载线。
3． 无法正常配置
解决方法：检查配置时钟信号CCLK或JTAG时钟信号TCK是否存在干扰信号或过冲。如果存在干扰，判断干扰源，并增加滤波电路以消除干扰。如果有过冲，说明该信号线阻抗可能由于较长不匹配，需要增加匹配电阻。一般情况下，CCLK信号的引线长度不超过10cm，还可通过增加源端匹配电阻（33~100 电阻）来改善时钟信号质量。
此外，如果FPGA芯片的旁路电容设计不合理或数据线上有地线及弹信号，也会导致配置失败。
4． DONE管脚状态始终为低
解决方法：检测DONE管脚的负载是否太重，选择合适的上拉电阻。
5． DONE管脚已经变高，但器件仍不能正常工作
解决方法：首先检查设计是否无误；其次，如果设计无误，再检查器件的启动顺序，参考配置流程，通过设计工具重新设置启动顺序。
6． 模式管脚选择错误
解决方法：根据模式选择管脚M[2:0]选择配置模式，当模式改变后，要修改位流文件中的配置时钟为CCLK还是TCK，否则容易配置失败
7． 器件上电后，有时候能配置成功，有时不成功
解决方法：这种情况，经常是由期间的复位未完成，就开始出现数据流。解决方法就是添加复位芯片，延长复位时间。