FPGA实现串口升级及MultiBoot(二)FPGA启动流程

这个系列开篇肯定要先了解FPGA的启动流程，试想一下：我想实现MultiBoot，那么我应该在什么时候开始升级，升级失败后FPGA进行了哪些操作，以及怎么回到Golden区？

还有一个问题，就是我硬件打板回来，烧写进FLASH后起不来，这应该怎么排查？

缩略词索引：

K7:Kintex 7
V7:Vertex 7
A7:Artix 7

以上所有这些的前提就是理解FPGA启动流程。

图0：7系列FPGA启动步骤-参考：UG470

AMD-Xilinx FPGA启动阶段大概可以分为以上几个步骤（上图参考来源：UG470 Figure 5-3），下面分别讲解每一个步骤中FPGA做哪些工作。

一、器件上电

器件外围设置

对于7系列FPGA主要的关注点就是BANK0、BANK14和BANK15，BANK0主要关注电源和配置引脚，下表是一些注意点：

图1：电源域相关配置-来源：UG470

关于Vertex7系列详见《UG470》表2-7和表2-8。

SPI FLASH配置使用BANK0和BANK14，BPI则是BANK0、BANK14和BANK15，相关的电源域如图1所示，对于FPGA人员主要关注BANK0，下面是一个K7的典型电路：

重点关注：M0、M1、M2引脚（其他重要引脚我们下一节重点介绍），这几个引脚是关于FPGA的启动配置引脚：

图2：启动配置引脚-来源：UG470

上电时序

7系列FPGA其实对于上电时序要求不是那么高，但是对于电源域的要求比较高，下图就是FPGA的上电时序要求。

图3：SPI x1 启动时序-来源：UG470

二、配置初始化

配置初始化操作，也就是上电复位完成后，相关配置存储器按顺序清零。配置初始化的触发条件主要由以下几种情况：器件正常上电、Program_B信号拉低、IProg指令、JTAG的JProgram指令、Fallback重配，以及触发器通过全局（GSR）的重新初始化。配置初始化期间，除了少量的配置输出管脚外，其余IO的状态通过PUDC_B管脚上下拉确定，详细说明见图5。

图5：PUDC_B管脚上下拉和IO管脚配置关系-来源：UG470

配置初始化期间还会将芯片内所有模块的配置RAM清零，包括寄存器的值和Block RAM的存储值，FF触发器重新初始化。在配置存储器清零过程中，INIT_B信号一直为低电平，当完成清零后，INIT_B信号才会变成高电平。因此INIT_B信号拉高表示初始化完成，图4中也简单说明了从上电配置到INIT_B信号拉高约多长时间。

三、配置管脚读取

按照图0中步骤，经历过上面两个步骤后，接下来就是进行配置模式采集。配置模式采集也很好理解，就是当INIT_B信号拉高后读取M2，M1，M0管脚的电平状态，这几个管脚的上下拉是决定FPGA的启动模式，详细设计如图6所示。

图6：FPGA配置管脚和启动模式-来源：UG470

因为INIT_B拉高后，才进行模式采样，所以可以通过外部强制把INIT_B拉低后，进行延时再配置。如果加载模式为Master模式，FPGA很快就会输出有效的CCLK。此时，FPGA开始在配置时钟的上升沿对配置数据进行采样，当然也可以通过设置，使用下降沿来采集配置数据。

四、检测同步头

当和外设进行通信的时候，我们一般都会在协议里增加头校验、尾校验以及数据校验。对于FPGA读取FLASH中配置数据一样（还没到读取用户数据流），这个头校验就叫“同步头”，它是一段特殊的同步字。“同步头”的作用和协议头校验一样帮助FPGA确定正确的数据位置，同步字之前的配置数据都会被FPGA忽略，也就是FPGA仅仅在同步化之后才正式开始接收配置数据。同步字说明详见图7。

图7：FPGA 同步字-来源：UG470

五、器件ID检测

为了确保位流和FPGA芯片匹配，在读取到同步字后还会检测配置位流中的器件ID和目标ID是否一致。ID是一个固定的32位的数据，基于IEEE Std 1149.1标准。7系列FPGA的ID已经在UG470 的 Table 1-1中列出，下图是截取的一部分，其他详见UG470。

图8：器件ID - 截取：UG470

32位的ID中包含了28位的特征值和4位掩码。特征值包括厂商信息，器件族，器件规模等。如果器件ID和位流配置中不匹配，FPGA 会将内部寄存器的第一位ID_Err置高，软件也会显示错误信息，同时停止后续位流加载。

六、配置文件载入

在第四步和第五步顺利通过后，FPGA开始加载配置数据。

配置文件框架

7 系列 FPGA 配置文件以帧的形式排列。帧是 7 系列 FPGA 配置内存空间中最小的可寻址段，因此所有操作都必须作用于整个配置帧。每帧由 101 个 32 位组成。

因为后续我们操作基本都是通过脚本或者GUI进行配置的，这部分内容实际我们目前也用不上，所以有兴趣的可以去看看UG470中第五章关于这部分详细介绍。

七、CRC校验

配置文件载入完成后，为了验证数据的正确性，FPGA还自动设置了CRC校验(CRC是同步进行)，导入完成后会将计算的CRC值与期望CRC值进行比较。如果CRC校验不正确，FPGA会自动把INIT-B拉低，放弃这次配置。用户必须把PROG-B引脚拉低，才能进行重新配置。默认情况下，生成的配置位流会自动添加CRC校验，但这个不是必须的，可以通过位流设置功能取消CRC检验，但是取消CRC校验会存在因导入的错误位流而引起功能异常甚至损坏器件。

图9：通过上图顺序进行CRC设置

八、启动序列

最后一个步骤就是启动序列，也是我们需要重点关注的一步。

前面几步顺利完成后就到最后一步了，FPGA进入启动序列流程。启动序列包含8个顺序启动状态（0-7）操作，其中启动状态0对用户是不透明的，Phase1-Phase7如图10所示。

图10：启动序列1~7 - 来源：UG470

启动序列事件的默认顺序为先释放DONE引脚，然后激活I/O，最后启动写使能（详见UG470中Table 5-11 默认启动顺序，下面图12中）。实际使用中，可以通过BitGen参数对启动顺序进行设置来满足不同的需求。也就是上图中除了步骤7以外，其余几个步骤启动顺序是用户可编程的，并且启动顺序中的内容也是可编辑的，如是否等待MMCM锁定或者是否等待DCI阻抗匹配这些都是可配置的，以上两个可选配置。

但是，对于1-全局使能GWE（使能RAM和Flip-Flops所有同步单元工作）置位、2-取消全局三态GTS，激活输出管脚这两步时强制执行的，否则对于1不执行的话，FPGA无法正常工作；对于2不执行则FPGA所有引脚将功能失效。

释放DONE管脚，FPGA将取消之前按照PUDC_B引脚设置的引脚默认状态。DONE引脚是开漏输出信号，因此芯片外部需要使用一个330Ω上拉，当器件释放DONE管脚，DONE管脚的电平变为高电平。上面的详细说明如图11所示：