借助NOR Flash实现UltraScale FPGA后配置解决方案

借助nor Flash实现UltRascale FPGA后配置解决方案

kenshin FPGA开发圈
nor Flash是一种非易失性存储器件，与其相似的还有NAND Flash，但是nor Flash具有类似SRAM的并行接口，有足够的地址引脚来寻址，读数据的速度更快，因此多用于微控制器启动配置外部存储器件，即代码存储介质，而NAND Flash则使用复杂的I/O口来串行存取数据，内部结构具有极高的单元密度，数据写入速度更快，多应用于大容量数据存储方面。因此nor Flash占据了大部分容量为1~16MB闪存市场，而NAND Flash大多常见于8~128MB的产品中。今天这里向大家介绍一种基于nor Flash实现UltRascale FPGA后配置（post-configuration）的解决方案。

UltRascale FPGA器件内部没有继承存储模块，因此需要借助外部nor Flash来实现FPGA配置文件的加载。在这个设计中需要在FPGA内实例化一个MicroBlaze处理器内核，并且借助AXI EMC控制器IP、STARTUPE3 primitive模块与外部nor Flash存储器件建立BPI（Byte Peripheral Interface，高速并行配置方式）通信接口连接，具体系统设计如下图所示：

图1 基于nor Flash的FPGA后配置（post-configuration）参考设计

具体操作流程如下：

1. 采用BPI配置模式从nor Flash加载初始化镜像文件（golden.bin）,这个数据流镜像会在FPGA器件内初始化STARTUPE3 primitive模块、接口逻辑、IP核资源以及管脚约束配置。经过这样的初始化操作我们就能够对nor Flash的未使用空间进行读写操作。

2. 在MicroBlaze处理器端运行program程序，即通过串口Xmodem协议下载后配置镜像文件（update.bin）,每个1024字节数据包都经过CRC校验后写入到nor Flash。

3. 执行IPROG操作就可以加载更新后的数据流镜像实现FPGA的重配置，即初始的golden.bin被update.bin所替换。（IPROG指令的作用是对FPGA芯片进行复位操作,该复位操作对FPGA内部的应用程序进行复位,复位过程中除专用配置管脚和JTAG管脚,其他输入/输出管脚均为高阻态）。
   

   
   

   图2 串口操作指令

为什么要采用这种方法呢？因为初始化配置操作完成后BPI配置接口会保持为空闲状态，而且nor Flash也有很多未使用的存储空间，可以用来存储额外的配置镜像或者应用数据，在一定程度上降低了存储器件成本，精简了办卡设计和尺寸。除此之外，该种配置方法还可以使用与Virtex-5和Kintex-7系列FPGA器件。