Spartan6系列之芯片配置模式详解
1. 配置概述
Spartan6系列FPGA通过把应用程序数据导入芯片内部存储器完成芯片的配置。Spart-6 FPGA可以自己从外部非易失性存储器导入编程数据，或者通过外界的微处理器、DSP等对其进行编程。对以上任何一种情况，都有串行配置和并行配置之分，串行配置可以减少芯片对引脚的要求，并行配置对8bit/16bit Flash或者微处理器来说更合适。
因为Xilinx的FPGA器件的配置数据存储在CMOS 配置锁存器内（CCL），因此Spartan6 FPGA器件上电后必须重新配置。Spartan6器件有多种配置模式，包括：
- JTAG配置模式
- Master Serial/SPI配置模式（X1，X2，X4）
- Slave Serial配置模式
- Master SelectMAP/BPI配置模式（X8，X16）
- Slave SelectMAP配置模式（X8，X16）
Spartan6系列FPGA的配置模式由引脚M[0:1]的状态决定（详细介绍见Spartan6系列之器件引脚功能详述），在主配置模式中，CCLK默认来自与内部的振荡器，也可以来自外部的GCLK0/USERCCLK.，the BitGen -g ConfigRate选项可以设置内部时钟的振荡频率，默认频率为2MHZ；无论M[0:1]状态如何，JTAG配置始终可用。
对一个FPGA系统来说，可以有多种配置模式，但往往只有一种配置模式最适合自己的目标系统，应该要进行慎重的选择。当然，FPGA可以重新装载多个镜像文件，因此可以为1片FPGA提供多个配置文件，典型的应用为：当FPGA上电时，装载一个自检的镜像文件，完成自检后重新装载最终的应用程序镜像文件。这种方法可大大提高FPGA的使用效率。
因为FPGA的外部存储器可以存储多个镜像文件，因此可以通过FPGA正在使用（已装载的镜像）更新外部存储器内容，实现远程镜像更新升级。
1.1. 主模式配置（master mode）
由FPGA自身将外部存储器的配置数据装载进内部的模式称为主模式配置；主配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式。
图 1主配置模式连接方式汇总
1.2. 从模式配置（slave mode）
由外部器件（主要指处理器）对FPGA进行配置的模式成为从模式；从配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式。
图 2从配置模式连接方式汇总
2. 具体配置模式详解
Spartan-6系列FPGA的配置模式由模式控制引脚决定，具体情况如表1所示。
表格 1Spartan-6 FPGA配置模式
2.1. JTAG配置模式
在任何情况下，只要FPGA上电，就可以使用JTAG模式。
2.2. Serial配置模式
在serial配置模式中，FPGA在每个CCLK周期载入1bit配置数据。
图 3Serial Configuration时序图
2.2.1. Master Serial配置模式
在配置完成之前，done信号为0，将在整个配置过程中片选platform Flash；program_B是在配置FPGA之前对FPGA进行异步复位；由时序图可以看出，若没有CRC错误，FPGA的INIT_B是作为输出始终将platform Flash的OE置高。
图 4Master Serial Mode 配置电路图
2.2.2. Slave Serial配置模式
对FPGA的异步复位（PROGRAM_B）既可以由外部器件如按钮产生，也可以由CPLD或microprocessor产生；数据及时钟信号均由CPLD等产生；
图 5Slave Serial 配置模式
2.3. SelectMAP配置模式
SelectMAP配置接口提供了8/16bit双向数据接口，即可用于对FPGA的配置，也可用于对FPGA配置数据的回读。在SelectMAP模式中有多种配置思路，例举如下：
- 单FPGA的master SelectMAP配置
- 单FPGA的slave SelectMAP配置
- 多个FPGA呈菊花链连接形式以SelectMAP总线配置不同image
- 多个FPGA呈并列一组形式以SelectMAP总线配置同一个image
表格 2 SelectMap接口中需特别说明的接口信号
| 引脚名 |
方向 |
用途 |
功能描述 |
| CSI_B |
Input |
双用途 |
低电平使能SelectMap的数据总线 |
| RDWR_B |
Input |
双用途 |
决定数据总线的方向，0代表输入，1代表输出； |
| CSO_B |
Output |
双用途 |
菊花链模式中低有效的输出片选信号，当只有1片FPGA时，可不连接 |
| BUSY |
Output |
双用途 |
回读时使用 |
图 6 SelectMap配置接口
SelectMap配置模式有多种时序，因控制信号的不同而不同，主要有三种：连续的SelectMap配置模式数据载入时序、非连续数据总线可控的SelectMap配置模式数据载入时序、非连续时钟可控的SelectMap配置模式数据载入时序。数据总线宽带可以是8/16bit宽，数据宽度取决于配置启动阶段对数据总线采样的结果，在启动阶段，数据总线会输出特殊的标志数据。
图 7连续的SelectMap配置模式数据载入时序
图 8非连续数据总线可控的SelectMap配置模式数据载入时序
图 9非连续时钟可控的SelectMap配置模式数据载入时序
2.3.1. 单FPGA的Master SelectMap配置模式
在主模式下，CSI_B和EDWR_B接地，使能了SelectMap的数据线并使数据线的方向为输入；因为是单FPGA，所以不需要用到CSO_B，浮置即可。
图 10单FPGA的主SelectMap配置模式
2.3.2. 单FPGA的Slave SelectMap配置模式
当使用CPLD/Microprocessor来配置FPGA时，即可使用master SelectMap模式也可使用slave SelectMap模式，但优先使用Slave SelectMap配置模式。当CPLD/Microprocessor的SELECT等于0时，将使能FPGA的SelectMap配置模式数据总线；当CPLD/Microprocessor的READ/WRITE为0时，FPGA的SelectMap配置模式数据总线方向为输入，这时可以将配置数据输入到FPGA内部。
图 11单FPGA的从SelectMap配置模式
2.4. SPI配置模式
SPI配置模式只能工作于主模式，SPI接口允许FPGA把标准的工业SPI Flash作为配置数据存储介质。需要注意的是，在FPGA呈菊花链连接模式中，FPGA的SPI模式配置只能选择SPIX1方式，不能选择SPIX2或SPIX4模式。要使能FPGA的SPIX4的配置模式，需要在ise的BitGen选项里增加“-g: spi_buswidth:4”。
图 12Spartan-6 FPGA SPI配置接口
| 引脚名 |
方向 |
描述 |
配置之后 |
| MOSI/MISO[0]/CSI_B |
Input/Output |
FPGA串行数据输出/输入；连接到SPI Flash的从数据输入引脚 |
User IO |
| DIN/D0/MISO/MISO[1] |
Input |
主FPGA数据输入从SPIFlash数据输出端口；连接到SPI Flash的数据输出口 |
User IO |
| CSO_B |
Output |
片选信号，低有效 |
User IO |
| DOUT |
Output |
串行数据输出，在FPGA的菊花链中使用，连接到下一片FPGA的DIN引脚 |
User IO |
| MISO[3:2] |
Input |
主FPGA串行数据输出从SPI Flash数据输出引脚 |
User IO |
图 13Spartan-6 FPGA SPI配置接口电路图
不同数据线传输模式根据SPI总线每次传输的命令区分，Single_Read的命令操作码：0x03或0xE8；Dual_Read的命令操作码：0x3B；Quad_Read的命令操作码：0x6B。
图 14SPI总线Single_Read时序
图 15SPI总线Dual_Read时序
图 16SPI总线Quad_Read时序
2.5. BPI配置接口
BPI：Byte-Wide Peripheral Interface，字节宽度外设接口。FPGA可以从一个工业标准的并行NOR Flash读取配置数据。Spartan-6 FPGA最高支持1Gb的NOR Flash，也就是说地址线最高可达26根，但是并不是每种Spartan-6 FPGA都支持BPI配置或者26位的地址线的，具体情况例举如下：
- MCB-M1（Bank1的存储器控制模块）可以用作BPI配置接口，但是，用户只能选择将MCB_M1用作存储器控制接口或者BPI之一，不能同时作为两种接口使用。
- 6SLX4 、6SLX25/T FPGA不支持BPI配置接口。
- TQG144 和 CPG196封装的FPGA不支持BPI配置接口。
- CSG225封装中BPI配置地址线A22、A23不可用。
图 17BPI配置接口
表格 3BPI配置中特殊引脚说明
| 引脚名 |
方向 |
功能描述 |
| FCS_B |
Output |
低有效的Flash片选信号 |
| FOE_B |
Output |
低有效的Flash输出使能信号 |
| FWE_B |
Output |
低有效的写使能信号 |
| A[25:0] |
Output |
地址线 |
| D[15:0] |
Output |
数据线 |
| CSO_B |
Output |
FPGA菊花链连接时使用 |
| HDC |
Output |
FPGA配置期间为高电平，用于16bit宽Flash的字节选择 |
| LDC |
Output |
FPGA配置期间为低电平，用于16bit宽Flash的字节选择 |
图 18BPI配置总线电路连接图
图 19BPI配置总线时序图