Xilinx 7系列FPGA架构之器件配置（二）

本文我们介绍下7系列FPGA的配置接口，在进行硬件电路图设计时，这也是我们非常关心的内容，本文主要介绍配置模式的选择、配置管脚定义以及如何选择CFGBVS管脚电压及Bank14/15电压。

1.概述

Xilinx®7系列设备有五个配置接口。每个配置接口对应一个或多个配置模式和总线宽度，如表1所示。有关接口详细的时序信息，可以参阅相应的7系列FPGA数据手册。配置时序主要与FPGA配置时钟管脚CCLK有关。

表1、7系列FPGA配置模式注意：1）Slave SelectMAP x16 and x32模式不支持AES比特流加密；2）由于FPGA内部上拉电阻原因，该模式为默认模式。在表格1中，可以看到，在主配置模式下，CCLK时钟方向为输出，即有FPGA提供时钟，而在从模式下，CCLK时钟方向为输入，即时钟由外部控制器或处理器提供。

2.配置管脚

每个配置模式都有一组对应的接口引脚，这些引脚跨越7系列FPGA上的一个或多个I/O Bank。Bank0包含专用配置引脚，并且始终是每个配置接口的一部分。Bank14和Bank15包含特定配置模式中涉及的多功能管脚。7系列FPGA数据表规定了在3.3V、2.5V、1.8V或1.5V电压下工作的Bank配置引脚的开关特性。

表2、配置模式管脚

表3、配置模式管脚

注意：

PUDC_B在配置期间具有特殊功能，独立于所有配置接口，例如，PUDC_B不需要与配置接口中的其他引脚电压兼容。

EMCCLK仅BitGen ExtMasterCclk_en选项使能EMCCLK作为主配置模式时钟输入时使用。

DOUT仅在串行配置菊花链中用于向下游FPGA输出数据（或用于DebugBitstream选项）。否则，DOUT为high-Z。

CSO_B仅用于并行配置菊花链中，用于向下游器件输出芯片使能信号。否则，CSO_B为高阻状态。

RS0和RS1仅在启动多引导事件或启用ConfigFallback选项且发生回退事件时才被驱动。否则，RS0和RS1为高阻状态。当使用RS[1:0]引脚进行配置时，建议不要在用户模式下使用它们。

1. 空单元格表示该引脚未在配置模式下使用，被忽略，并且在配置期间为高阻状态。

在表2中可以看到，所有JTAG和专用配置引脚都位于一个单独的专用Bank0中，该Bank具有专用电源（VCCO_0）。多功能管脚位于Bank14和Bank15中。所有专用输入引脚均在VCCO_0 LVCMOS电平（LVCMOS18、LVCMOS25或LVCMOS33）下工作。所有激活专用输出引脚在VCCO_0电压水平下工作，输出标准设置为LVCMOS、12 mA驱动、快速转换率。对于使用多功能I/O的所有模式，必须将相关的VCCO_14或VCCO_15连接到适当的电压，以匹配配置器件的I/O标准。多功能引脚也是LVCMOS，12 mA驱动，配置期间转换速率快。如果使用Persist选项，则所选配置模式的多功能I/O在配置后保持激活状态，I/O标准默认设置为LVCMOS、12 mA驱动器、慢转换率。

表4、配置管脚定义

2.1 配置Bank电压选择

配置Bank电压选择（CFGBVS）引脚必须设置为高或低，以便在配置期间使用时确定Bank0中引脚以及组14和15中多功能引脚的I/O电压支持。当CFGBVS引脚为高电平时（例如，连接到3.3V或2.5V的VCCO_0电源），配置期间和之后，Bank0上的配置和JTAG I/O支持3.3V或2.5V下的操作。当CFGBVS引脚为低电平（例如，连接到GND）时，Bank0中的I/O支持1.8V或1.5V下的操作。1.2V下不支持配置。CFGBVS同样控制Bank14和15上的电压公差，但仅在配置期间。当CFGBVS高时，Bank14和15上的配置I/O在配置期间支持在3.3V或2.5V下运行。当CFGBVS引脚较低时，Bank14和15中的配置I/O在配置期间支持在1.8V或1.5V下运行。7系列FPGA有两种I/O组类型：宽范围（HR I/O）组支持3.3V、2.5V和一些低电压I/O标准，高性能（HP I/O）组支持1.8V或更低电压的I/O标准。专用配置和JTAG I/O位于Bank0中。Bank0是除Virtex-7 HT设备外的所有设备上的宽范围Bank类型。一些配置模式也依赖于Bank14和/或Bank15中的管脚。

Bank14和Bank15是Spartan-7、Artix-7和Kintex-7系列中的HR I/O组，但始终是Virtex-7系列中的HP I/O Bank。注意：CFGBVS引脚在Virtex-7 HT设备上不可用。Virtex-7 HT设备仅支持配置Bank 1.8V操作。表5显示了CFGBVS引脚连接选项以及相应的Bank有效VCCO电源和I/O电压。

表5、CVGBVS管脚连接选项警告：当1.8V/1.5V I/O操作的CFGBVS设置为GND时，至Bank0的VCCO_0和I/O信号必须为1.8V（或更低）。如果在配置期间使用这些Bank中的配置I/O，则VCCO_14和VCCO_15也必须为1.8V/1.5V。否则，在这些Bank上的管脚上施加大于1.8V工作最大值的电压可能会损坏器件。

根据配置模式，与该模式相关联的接口引脚可以跨越Bank0、Bank14和Bank15。通常，所有三个Bank都接收相同的VCCO电压电源，以确保所有配置接口引脚具有一致的I/O电压接口。建议对Bank0、14和15使用相同的电压，因为它允许选择使用8位或更宽的配置模式，并避免配置完成后需要I/O转换。使用下列步骤决定CFGBVS管脚设置：

1. 确定FPGA配置模式；对于要用于FPGA的配置模式，确定用于配置模式的管脚Bank位置；对于每个Bank配置引脚，确定所需配置Bank通用I/O所需的电压支持；确定目标FPGA系列。Virtex-7 FPGA在Bank14和15上仅支持1.8V/1.5V配置。Virtex-7HT系列在Bank0上也仅支持1.8V配置，因此没有CFGBVS引脚；设置CFGBVS引脚以支持所需的配置I/O电压。

表6、Spartan-7、Artix-7和Kintex-7 FPGA配置模式、兼容电压和CFGBVS连接

表7、Virtex-7 T FPGA配置模式、兼容电压和CFGBVS连接

表8、Virtex-7 HT FPGA配置模式、兼容电压和CFGBVS连接

表9、配置模式、兼容电压和CFGBVS管脚连接

2.2 在Vivado工具中设置配置选项

通过设置配置电压或CFGBVS属性，可以将配置电压的选择传达给Vivado工具。此外，还可以定义CONFIG_MODE属性，以便工具识别所使用的配置管脚。如果配置引脚设置之间存在任何冲突，例如，多功能配置引脚上的IOS标准与配置电压冲突，Vivado工具将提供警告。通过Vivado工具可以验证硬件I/O电压设计是否正确。

2.3 外部主配置时钟（EMCCLK）选项

默认情况下，主配置模式使用内部生成的配置时钟源CCLK。使用此时钟选项很方便，因为不需要外部时钟发生器源。但是，对于配置时间缩短至关重要的应用，应使用外部主配置时钟（EMCCLK）。EMCCLK时钟允许使用比具有主CCLK频率容差（FMCCKTOL）的FPGA内部时钟更精确的外部时钟源。例如，当主CCLK的最大频率为100 MHz时，50%的容差意味着ConfigRate设置不能超过66 MHz。但是，外部时钟源可以在规范允许的情况下以最快的速度应用。7系列FPGA支持在主模式下动态切换到外部时钟源（EMCCLK）的能力。使能EMCCLK时钟可以通过：

1. 使能ExtMasterCclk_en比特流产生选项；将FPGA上的EMCCLK连接到主板的振荡器或其他时钟源；定义EMCCLK目标电压。以下方法可以实现这一点：

•  Bank14具有另一个已定义IOSTANDARD的管脚。Bank14上定义的电压自动应用于EMCCLK； EMCCLK信号在配置后的设计中使用，并定义了IOSTANDARD。

EMCCLK信号必须实例化，并在提供I/O标准定义的设计中使用，因为EMCCLK是一个多用途引脚，或者电压电平将取自Bank14中定义的另一个引脚。

将EMCCLK输入连接到板上的振荡器或其他时钟源，并当做关键信号进行布线处理，使用良好的信号完整性设计实践，特别是对于非常高速的时钟，以避免配置过程中出现错误。