关于Xilinx公司出品的Spartan6系列FPGA的MultiBoot设计方案详解
xilinx公司出品的spartan6系列fpga所具有的multiboot特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，有选择地从存储于flash中的多个配置文件中加载其中的一个，对fpca在系统重配置，实现不同的功能。multiboot特性使得用户可以在某些场合选择较少逻辑资源的xilinx fpga，实现需要较大逻辑资源且较昂贵的fpga或asic才能实现的功能，从而提高器件利用率及系统安全性、降低系统成本。
1 基本概念 spartan-6 fpga在上电时从片外flash加载mcs文件进行配置。根据所包含的bit流文件的个数，mcs文件分为两类：一类是南单bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件中只包含一个bit流文件，用此类mcs文件配置fpga时，只能实现一种功能；另一类是由多个bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件包含多个bit流文件。用此类mcs文件配置fpga时，可根据需求有选择地加载其中的某个bit流文件对fpga进行系统重配置，即multiboot特性。
spartan-6 fpga拥有专用的multiboot逻辑配置模块，来实现multiboot和fallback操作。multiboot操作是在各配置bit流文件能正常加载的前提下，通过icap设置配置模块中的相关寄存器并触发iprog命令，实现在不同配置bit流文件中的切换，达到fpga实现不同功能的目的。fallback操作是在从配置a切换到配置b的过程中出错时，用另一个比较“安全”的bit流文件代替配置文件b配置fpga的操作。这个比较“安全”的bit流文件称为golden。
fpga的重配置操作，是通过专用的icap_spartan6原语向配置模块发送iprog命令来实现的。重配置操作可由fpga外部的处理器、微控制器、计算机和按键等“智能”终端触发。在应用设计中，只需在每个应用程序中例化一个icap_spartan6原语来实现相关命令序列即可实现multiboot特性。
spartan6的多bit流配置可通过spix1，x2，x4及bpi模式实现，文中只介绍基于spi模式的multiboot特性的实现，用配置文件代替应用程序。
2 multiboot操作相关寄存器简介 （1）所有spartan-6 fpga的bit流控制命令都是通过读写相关配置寄存器实现的。配置数据都是16位宽的字，也有一些数据是多字的，配置数据包含的3个主要命令如表1所示。
（2）所有的操作数据可分为两种：
type1包含两部分：header，data。
type2包含3部分：header，word count，data。
用tpye1就能实现multiboot和fallback操作，故只介绍type1。type1的header是个16位字，用其中6位表示相关寄存器的地址，如表2所示。
其中operation位［12：11］是表1中所列的操作码，寄存器地址［10：5］如表4所示，字节数［4：0］表示操作所需的字节数。
type1的数据部分形式如表3所示。
（3）spartan-6 fpga的multiboot常用配置寄存器及功能列表如表4所示。
寄存器功能介绍：
1）命令寄存器cmd。命令寄存器cmd存储配置控制命令，以产生全局信号执行其配置功能。在multiboot操作中，常用的cmd命令如表5所示。
2）general寄存器。触发iprog命令后，general1、general2中存放用于对fpga进行重配置的下一个bit流文件的地址，其中general1存放地址的低16位，general2的高8位存放spi操作码，低8位存放地址的高8位。general3、general4存放fmlback时的配置文件地址，其中gener al3存放低16位地址，general4的高8位存放spi操作码，低8位存放地址的高8位。general5中存放multiboot或fallback时的用户自定义数据。
3）模式寄存器mode_reg。mode_reg模式寄存器主要用于重配置时的一些模式设置，如spi总线的位宽。模式寄存器中各位的功能如表6所示。multiboot和fallback操作需对［13：8］进行相应设置。
4）控制寄存器ctl、配置选项寄存器cor2。因crc校验错误也可能触发fallback操作，因此为安全起见，如果可能发生crc校验错误，需将ctl寄存器的crc_extstat位清零，使能crc校验，并将cor2寄存器的reset_on_error置1，使能crc错误时的fallback操作。但如果能确定不发生crc错误，可不设置这两位。
3 multiboot原理 如上所述，spartan-6 fpga内置有专用的multiboot逻辑控制模块，来实现multiboot（iprog）和fallback操作。当触发fallback或iprog时，片内会产生一个复位脉冲，使片内配置逻辑复位，但不会使专用的multiboot逻辑和bootsts、mode、g1-g5复位。
实现multiboot特性时，存储器中的配置文件组织模式如图1所示。
如图1所示，第一部分是header，这个小的bit文件中包含同步字、下一个配置文件的地址以及iprog命令。此段必须位于flash存储器中的0地址处。该部分可由命令文件生成。第二部分是multibootbitstream，由用户的多个bit流配置文件组成，其地址可在生成mcs文件时指定到符合flash操作要求的任何地方。进行multiboot操作时只需通过icap向muhiboot逻辑控制模块发送iprog命令，之后控制模块就会根据gene ral1、general2指定的地址，加载下一个需要的配置文件。第三部分是fallback或golden配置文件，地址可由general3、general4指定。
header、multiboot配置文件、fallback配置文件在加载过程中，如果出错，fpga会根据相应寄存器的值，从配置文件的起始地址重新加载3次，加载次数的计数保存在bootsts寄存器的［15：12］位，名称为strike。
header在加载过程中分配有3个strike计数值：6、7、8。当检测到crc错误，且reset_on_error为1、strike《9，则strike计数器加1，并重新开始配置过程。若看门狗计时器超时也会触发相同操作，但此时会忽略rese_on_error的状态。若strike等于9，则停止配置，且将init和done引脚拉低。
multiboot配置文件在加载过程也分配有3个strike计数值：0、1、2。当在加载过程检测到错误时，如果strike《3且reset_on_error为1，则strike计数器加1，且从general1、general2指定的地址处重新加载配置文件。若strike计数器等于3，则触发fallback操作。
fallback或golden配置文件在加载过程也分配有3个计数值：3、4、5。当在加载工程中检测到错误时，若strike计数器值《6，则strike计数器加1，并从general3和general4指定的配置文件地址处重新加载配置文件。若strike计数器为6，则从0地址处加载header配置文件。此时，fpga会执行循环加载过程：header→multiboot→fallback（或golden）→header，每次循环都会使strike计数器加1，最多3次。若其间某
个配置文件加载成功，则停止循环，否则直到strike计数为9，停止加载过程。strike计数器只能通过复位或重启系统清零。
fallback是一种出于安全性考虑的操作。一旦该操作被触发且加载golden成功，若再想退出golden加载其他用户配置文件，只能复位fp ga或重启系统。
4 multiboot实现简例 实现multiboot操纵有两种方法：（1）基于icap的寄存器编程实现。（2）通过在生成bit流文件时，设置相关选项实现。
4．1 基于icap的寄存器编程实现
如上所述，通过icap_spartan6原语发送iprog命令，其发送命令序列如下：（1）发送同步字。（2）配置general1-general4，指定相关操作所需配置文件地址及操作码。（3）发送iprog命令。icap_spartan6原语接口定义如表7所示。
在主spi模式下，icap_spartan6的输入数据在从总线i［15：0］输入前，要进行字节范围内的位交换，即16位宽的字分为高8位1 byte，低8位1 byte，各字节的最高位［7］和最低位［0］交换，位［6］与位［1］交换，其他以此类推。
通过icap触发iprog的命令序列举例如表8所示。
iprog命令后需经过一段时间后，fpga内部才会产生相应的重配置信号，因此在iprog命令后需跟几个空操作命令，一般为4个。genera l2、general4中的操作码：0x0b、0x3b、0x6b分别为spix1、spix2、spix4。
icap逻辑模块是fpga中的专有逻辑模块，因此在生成bit文件的各源文件中必须都实例化一个icap模块。一般情况下对icap模块的控制操作通过状态机实现。
4．2 选项设置实现
实现multiboot功能所需配置的所有寄存器，均可在生成bit文件时通过添加相关的生成设置选项实现。在进程菜单中单击generate pro gramming file，选择process properties，弹出配置窗口如图2所示。
5 结束语 介绍了实现multiboot操作的两种方式，一种是基于icap的寄存器编码配置方式。可通过源代码中的注释，使后续开发维护人员阅读代码、扩展功能时思路清晰，缺点是需编写大量代码，并需对icap的操作与命令序列有一定了解。第二种通过在生成bit文时添加相关设置选项实现，方便简单，但需大量的文本注释，以便后续的开发与维护。当然，实际的应用开发过程中可同时使用这两种方法，实现更高效便捷的编码开发。
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spartan-6 fpga拥有专用的multiboot逻辑配置模块，来实现multiboot和fallback操作。multiboot操作是在各配置bit流文件能正常加载的前提下，通过icap设置配置模块中的相关寄存器并触发iprog命令，实现在不同配置bit流文件中的切换，达到fpga实现不同功能的目的。fallback操作是在从配置a切换到配置b的过程中出错时，用另一个比较“安全”的bit流文件代替配置文件b配置fpga的操作。这个比较“安全”的bit流文件称为golden。
fpga的重配置操作，是通过专用的icap_spartan6原语向配置模块发送iprog命令来实现的。重配置操作可由fpga外部的处理器、微控制器、计算机和按键等“智能”终端触发。在应用设计中，只需在每个应用程序中例化一个icap_spartan6原语来实现相关命令序列即可实现multiboot特性。
spartan6的多bit流配置可通过spix1，x2，x4及bpi模式实现，文中只介绍基于spi模式的multiboot特性的实现，用配置文件代替应用程序。
2 multiboot操作相关寄存器简介 （1）所有spartan-6 fpga的bit流控制命令都是通过读写相关配置寄存器实现的。配置数据都是16位宽的字，也有一些数据是多字的，配置数据包含的3个主要命令如表1所示。
（2）所有的操作数据可分为两种：
type1包含两部分：header，data。
type2包含3部分：header，word count，data。
用tpye1就能实现multiboot和fallback操作，故只介绍type1。type1的header是个16位字，用其中6位表示相关寄存器的地址，如表2所示。
其中operation位［12：11］是表1中所列的操作码，寄存器地址［10：5］如表4所示，字节数［4：0］表示操作所需的字节数。
type1的数据部分形式如表3所示。
（3）spartan-6 fpga的multiboot常用配置寄存器及功能列表如表4所示。
寄存器功能介绍：
1）命令寄存器cmd。命令寄存器cmd存储配置控制命令，以产生全局信号执行其配置功能。在multiboot操作中，常用的cmd命令如表5所示。
2）general寄存器。触发iprog命令后，general1、general2中存放用于对fpga进行重配置的下一个bit流文件的地址，其中general1存放地址的低16位，general2的高8位存放spi操作码，低8位存放地址的高8位。general3、general4存放fmlback时的配置文件地址，其中gener al3存放低16位地址，general4的高8位存放spi操作码，低8位存放地址的高8位。general5中存放multiboot或fallback时的用户自定义数据。
3）模式寄存器mode_reg。mode_reg模式寄存器主要用于重配置时的一些模式设置，如spi总线的位宽。模式寄存器中各位的功能如表6所示。multiboot和fallback操作需对［13：8］进行相应设置。
4）控制寄存器ctl、配置选项寄存器cor2。因crc校验错误也可能触发fallback操作，因此为安全起见，如果可能发生crc校验错误，需将ctl寄存器的crc_extstat位清零，使能crc校验，并将cor2寄存器的reset_on_error置1，使能crc错误时的fallback操作。但如果能确定不发生crc错误，可不设置这两位。
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header在加载过程中分配有3个strike计数值：6、7、8。当检测到crc错误，且reset_on_error为1、strike《9，则strike计数器加1，并重新开始配置过程。若看门狗计时器超时也会触发相同操作，但此时会忽略rese_on_error的状态。若strike等于9，则停止配置，且将init和done引脚拉低。
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