Xilinx 7系列FPGA架構之器件配置（四） 之多片FPGA配置

引言：在需要多個FPGA芯片的應用中，如果JTAG鏈上所有FPGA采用相同配置，可以通過“成組”加載方式同時加載；如果每個FPGA需要采用不同的配置數據流，可以通過“菊花鏈”加載方式或者使用外部邏輯依次加載。本文分別介紹串行配置和并行配置模式下的多片FPGA配置數據流加載方式。

1.菊花鏈串行配置模式（串行，多片FPGA采用不同配置流）

單一配置源可以通過利用串行菊花鏈方式加載多片7系列FPGA。在串行菊花鏈中，器件通過DIN管腳接收配置數據，通過DOU管腳將配置數據傳輸給下游器件。離配置源最近的器件稱為最上游器件，離配置源最遠的器件稱為最下游器件。如下圖所示。

圖1 Slave串行模式菊花鏈配置

在串行菊花鏈中，所有器件都設置為串行模式，配置時鐘由外部提供，如圖1中的Processor設備。如圖1所示：

1）DONE管腳為開路輸出，在Slave串行菊花鏈中應連接在一起，在最遠一片FPGA上拉；

2）INIT_B管腳為雙向管腳，開路，需要外部上拉電阻；

3）比特流啟動時鐘必須設置為CCLK。????串行菊花鏈中的第一個器件是最后加載數據流的。在配置鏈中的最后一個器件完成配置，并通過CRC校驗，進入啟動順序。在所有器件釋放它們的DONE管腳后，DONE信號上拉為高或者有鏈路中第一個器件驅動為高。

7系列FPGA與早期Virtex/Spartan系列FPGA串行菊花鏈連接考慮

1）許多較舊的FPGA設備無法接受7系列設備所能產生的CCLK頻率。選擇鏈中所有設備支持的配置CCLK速度；
2）7系列設備應始終位于串行菊花鏈的開頭，而較舊的系列設備位于鏈的末端；
3）為7系列FPGA位流選項提供的指南應盡可能適用于串行菊花鏈中的所有設備；
4）設備可通過其DOUT引腳的配置位數有限。對于從Virtex II系列開始的7系列和Virtex設備，限制為4294967264位。對于Spartan-6和Spartan-3代設備，限制為2147483632位。所有下游設備的比特流長度總和不得超過此數字。

串行菊花鏈配置設計要點

1）啟動順序。應在DONE之前或在DONE的同一周期內釋放，以確保所有DONE引腳釋放后，設備可正常工作。

2）連接所有DONE管腳。所有設備的DONE引腳必須以串行菊花鏈連接，以防止配置失敗。出于調試目的，有一種斷開單個DONE的方法通常很有用，從而可以通過串行或JTAG接口單獨配置設備。

3）DONE管腳上升時間。釋放所有DONE引腳后，DONE引腳應從邏輯0上升到邏輯1。如果DONE信號上升需要額外的時間，可以通過DonePipe選項設置，參看UG628。

2.成組串行配置模式（串行，多片FPGA采用相同配置流）

使用成組串行配置設置，可以從同一位流源同時配置多個設備（圖9-2）。在這種布置中，串行配置引腳被連接在一起，使得每個設備看到相同的信號轉變。對于成組串行配置，所有設備必須相同。配置可以由外部配置控制器驅動，從閃存或其他存儲器讀取位流。

圖2 成組串行配置模式如圖2所示：

1）DONE引腳為漏極開路輸出；
2）INIT_B引腳是雙向開放漏極引腳。需要外部上拉電阻器；
3）必須為串行配置的CCLK設置啟動時鐘設置；
4）對于成組串行配置，所有設備必須相同（相同的ID CODE），并且必須使用相同的比特流進行配置。

成組串行配置考慮要點

1）啟動順序

應在DONE之前或在DONE的同一周期內釋放，以確保所有DONE引腳釋放后，設備可正常工作。
2）DONE管腳可斷開

出于調試目的，有一種斷開單個DONE的方法通常很有用，從而可以通過串行或JTAG接口單獨配置設備。

3）CCLK作為電路板時鐘信號布局布線??? CCLK信號相對較慢，但7系列FPGA輸入緩沖器上的邊緣速率非?？?。即使CCLK信號上的輕微信號完整性問題也會導致配置失敗。典型的故障癥狀是DONE仍然為低，INIT_B為高。因此建議采用注重信號完整性的設計實踐，包括IBIS的信號完整性仿真。4）用于組合串行配置的PROM

用于組合串行配置的PROM文件與用于配置單個設備的PROM相同。沒有特殊的PROM文件注意事項。

3.成組串行配置模式（并行Slave，多片FPGA采用不同配置流）

處于從屬SelectMAP模式的多個7系列設備可以連接在一個公共SelectMAP總線上，如圖3所示。在SelectMAP總線中，DATA、CCLK、RDWR_B、PROGRAM_B、DONE和INIT_B引腳在所有設備之間共享公共連接。為了允許單獨訪問每個設備，不得將CSI_B（芯片選擇）輸入連接在一起。需要CSI_B信號的外部控制，通常由微處理器或CPLD提供。

圖3 從屬SelectMAP模式的多個7系列設備

如果要在配置后對設備執(zhí)行回讀，則必須正確處理RDWR_B信號。否則，RDWR_B可能被綁定為低。

如圖3所示：

1）DONE引腳為漏極開路輸出；
2）INIT_B引腳是雙向開放漏極引腳。需要外部上拉電阻器；
3）不支持回退重新配置；
4）必須為SelectMAP配置的CCLK設置啟動時鐘設置；
5）需要諸如微處理器或CPLD的外部控制器來控制配置；
6）數據總線可以是x8、x16或x32（用于從屬SelectMAP）。

4. 并行菊花鏈配置模式（主/從并行，多片FPGA采用不同配置流）

7系列FPGA配置支持并行菊花鏈。圖4顯示了BPI模式下主導設備的示例示意圖。主導設備也可以處于主或從SelectMAP模式。D[15:00]、CCLK、RDWR_B、PROGRAM_B、DONE和INIT_B引腳在所有設備之間共享公共連接。CSI_B引腳為菊花鏈。

圖4 并行菊花鏈

如圖4所示：

1）DONE引腳為漏極開路輸出；
2）INIT_B引腳是雙向開放漏極引腳，需要外部上拉；
3）必須為SelectMAP配置的CCLK設置啟動時鐘設置；
4）應啟用FCS_B、FWE_B、FOE_B、CSO_B弱上拉電阻器，否則每個引腳需要外部上拉電阻器。默認情況下，所有多功能I/O都具有配置后的弱下拉；
5）鏈中的第一個設備可以是主SelectMAP、從SelectMAP或BPI。以下設備必須處于從屬SelectMAP模式；
6）不支持并行菊花鏈方案中的回讀；
7）不支持回退重新配置。

5. 并行成組配置模式（并行，多片FPGA采用相同配置流）

也可以通過使用成組的SelectMAP配置，使用相同的配置位流同時配置多個設備。如圖5所示，在成組SelectMAP布置中，兩個或更多設備的CSI_B引腳連接在一起（或連接到GND），使所有設備識別D引腳上顯示的數據。

圖5 成組的SelectMAP配置

如圖5所示，如果外部振蕩器可用，所有設備都可以設置為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引腳為漏極開路輸出；
4）INIT_B引腳是一個雙向開放漏極引腳，需要外部上拉電阻器；
5）必須為SelectMAP配置的CCLK設置啟動時鐘設置；
6）公共DONE信號上需要一個外部上拉電阻器。由于扇出增加，設計者必須仔細關注信號的完整性。建議進行信號完整性模擬；
7）如果CSI_B信號連接在一起，則無法進行回讀，因為所有設備都同時嘗試驅動數據信號。