从配置PROM/FLASH读取用户数据

前沿
    在FPGA设计中，配置PROM（如18V00系列）/FLASH（XCF00系列）主要的功能是存储FPGA设计，然后在上电之后，自动将设计装载到FPGA当中。在有些时候，FPGA设计并未全部将配置PROM/FLASH的存储单元全部占用，因此，未被占用的单元就被浪费掉了。
    在某些应用中，用户需要在片外（FPGA外）存储自己定义的数据，这个时候就要单独挂PROM/FLASH芯片到FPGA上，这样不仅增加了设计难度（用户需要专门编写存储控制接口）、增加成本、增加布板难度、增加FPGA管脚使用数量等，从而给设计者带来很多不便。如果用户自定义的数据量不是很大，而且正好可以放到PROM/FLASH的未被占用的存储单元中，那么将极大减轻设计者的负担，减少成本，增加系统可靠性。
    下面将详细介绍如何将用户自定义数据存储到PROM/FLASH中，以及如何读取这些数据。

具体实现
 原理
    要想实现将用户自定义数据写入PROM/FLASH以及从它们当中读出来，首先要明确以下几个问题：

• FPGA设计数据如何被写入到PROM/FLASH当中
• PROM/FLASH中的数据如何被读到FPGA当中（配置FPGA过程）

    理解了以上两个问题，我们就能从总体上知道是什么原理使用户数据能写入到PROM/FLASH当中，并被读出来。看FIG1：（注：以下所有的讨论都是认为FPGA的配置模式是主－串模式）
 
    在FIG1中，有几个关键信号：CCLK，CE/，OE_RESET/，INIT/（INIT/在FPGA上）。在主－串模式配置过程中，上电之后，由FPGA的CCLK引脚发出时钟，驱动PROM/FLASH的CLK，而PROM/FLASH根据CE/、OE_RESET/的状态来确定是否地址增加（此“地址”是PROM/FLASH内部数据存储单元的地址）。如果FPGA将所有的设计数据读取完毕，则停止产生CCLK时钟。而CE/、OE_RESET/的状态可能在FPGA配置完毕之后变化，使地址复位。注意，当CCLK产生且PROM/FLASH有数据输出时，要判断这些数据是否是设计数据。判断的方法是通过一个同步字段来实现的。不同系列的FPGA同步字段会有不同，比如Virtex系列FPGA同步字段是AA995566h。在对应FPGA的配置手册中会找到其同步字段。
    上述所述过程大概描述了一个FPGA的配置过程。因此，如果要想在FPGA配置成功之后，继续读取用户自定义在PROM/FLASH中的数据，就要在上述过程中做一下变动，而且不影响正常的FPGA配置。
    通过研究PROM/FLASH的手册，可以知道，当CE/变高后，PROM/FLASH的地址计数器就会复位，而不再因为CLK有脉冲而地址增加。所以，当FPGA配置完毕后，设计者要阻值CE/变高。
    在配置过程中，INIT/变低，表示FPGA接收的数据有CRC校验错误，这时PROM/FLASH的地址计数器会清零。
    当OE_RESET/为低，PROM/FLASH的地址计数器复位。
    Tab1为OE_RESET/和CE/与PROM/FLASH地址的真值表：
 
    通过前面分析几个信号对PROM/FLASH地址的影响以及FPGA配置过程，可以有如下的方法来实现在成功配置FPGA之后，正确读取PROM/FLASH中的用户自定义数据：

• CE/信号脚在FPGA成功配置后，不能为高，因此将该引脚连接到一USER IO上，这样当FPGA配置成功后，该USER IO输出低，这样CE/就不会变高，从而PROM/FLASH地址就不会复位。在我们一般的应用中，是将FPGA的DONE引脚连接到CE/上，这样的目的是当FPGA成功配置后，DONE变高，从而CE/变高，这样PROM/FLASH的地址就复位了。如果我们采用一USER IO连接到CE/上，那么这个时候，DONE脚就不能在连接到CE/上。DONE脚此时可以只驱动LED就可以了。注意DONE脚的上拉电阻要保留。其实CE/也可以直接接到GND上，但是这样PROM/FLASH一直在使能，对芯片不好，也增加了功耗。
• OE_RESET/直接连接到INIT/上，同时INIT/在FPGA成功配置后，要作为一个USER IO使用。这样一方面保证在FPGA配置过程中如果出现CRC错误，可以再重新发起一次配置动作；另一方面当FPGA成功配置后，INIT/成为一个USER IO，可以使该USER IO输出为高，这样OE_RESET/为高，PROM/FLASH内部地址不会复位，PROM/FLASH处在输出使能状态。

    以上两个措施保证了在FPGA成功配置后，PROM/FLASH的地址不会清零。但是由于FPGA成功配置后，CCLK就停止产生，所以，尽管PROM/FLASH地址没有被复位，但是也不会增加。还要想办法使地址增加。
    在上述条件满足时，地址增加就要有时钟输入到PROM/FLASH的CLK引脚上。由于CCLK的不可控性（尽管BitGen中有一些选项可以影响CCLK的变化。我没有仔细去研究过），因此需要有一个设计者可控的时钟信号输入到PROM/FLASH的CLK引脚上。当FPGA成功配置后，CCLK为3态且有一个弱的到VCCO的上拉，因此将一个USER IO连接到PROM/FLASH的CLK引脚上是可行的。也就是说FPGA的CCLK和一个USER IO同时都连接到PROM/FLASH的CLK引脚上。这样，设计者就可以在FPGA成功配置后，通过控制USER IO来产生时钟脉冲，来读取自定义在PROM/FLASH中的数据。因为数据是串行的，而且PROM/FLASH的地址对设计者来说不可见，因此借鉴FPGA在配置时是如何确定从PROM/FLASH读出的数据是设计数据的方法：识别同步头。因此，在生成用户自定义数据的时候，也要考虑一个有意义的同步头数据。
    如数据可以按照FIG2来分布：
 
    如何生成用户数据并加入到mcs文件中，在后面有描述。

Read宏单元实现
    从前面描述，清楚了在硬件上如何改动，使之适合在FPGA配置成功后，能读取PROM/FLASH中的用户自定义数据。但是，如何读取、读取这个动作如何实现，还是需要专门设计一个模块才可以。
FIG3是一个标准的读PROM/FLASH数据的宏单元框图：
 
    该宏单元实现了在FPGA成功配置后，从PROM/FLASH中读取用户自定义数据。各引脚信号说明，见Tab2：

下面详细介绍该宏单元是如何被设计以及如何工作的。

• 时钟管理
      在这里主要目的是产生正确的模仿CCLK的cclk。因此，需要有一个时钟使能，当该时钟使能有效时，cclk就会产生。而这个时候还要确保从PROM/FLASH中读出的数据能正确被FPGA所捕获到。
      在cclk的上升沿，都会有新的数据出现的din/d0上，在cclk的下降沿，一个din数据读使能信号有效，使数据在系统时钟clock的上升沿进入移位寄存器和比较模块。这样对于FPGA内部的寄存器来说就有足够的建立和保持时间。
       cclk的产生是通过对clock的分频来产生的。因为PROM/FLASH有一个对时钟频率的要求，因此该cclk最终是多少Hz有PROM/FLASH决定。一般是10MHz。采用SRL16移位的方法，可以产生这个cclk。SRL16移位的长度视clock的频率而定。通过这种方法产生的cclk，避免了使用DLL和DCM就可以达到产生同步时钟的目的。FIG4是时钟管理单元的时序图：
   
• 移位寄存器和比较器
       时钟管理的目的是产生合适频率且与系统时钟同步的cclk，而移位寄存器和比较器的目的就是判断从PROM/FLASH过来的数据，是否有同步字段，如果发现同步字段，则sync变低。如果考虑设计更灵活，则可以有几个同步字段。如果用户自定义数据中含有与同步字段匹配的数据，则仍然会有sync产生，但是，只有data_ready来指示是否是有效的用户数据。
      该部分的时序图如FIG5：
   
• 控制状态机
      cclk产生了，同步字段的判断也实现了，如何控制整个模块的具体动作就由控制状态机来实现。控制状决定有多少数据需要读取、何时搜索下一个同步字段、何时读取下一字节用户数据、何时复位PROM/FLASH地址等。图FIG6为控制状态机的状态转换图。
   
  FIG7为控制状态机的时序图：
   
       通过前面原理性的描述再结合状态机状态转换图，可以很明确的知道状态机是如何工作的。在FPGA配置完成以后，状态机由复位状态（RESET）进入寻找同步字段状态（S1），这个时候cclk是有输出的，如果没有发现同步字段，则一直维持在寻找同步字段状态（S1）。当发现同步字段后，关闭cclk输出使能，同时进入到等待用户指令状态（S2），在该状态等待用户指令，即是否开始从PROM/FLASH中读取数据或寻找同步字段。如果用户逻辑使能read信号，则转到得到数据状态（S3），这时打开cclk输出使能；如果想寻找下一个同步字段，则使能next_sync，进入寻找同步字段状态（S1），同时cclk输出使能。（个人认为这样设计是非常合理的：即用户数据用不同的同步字段分割成不同的数据段，这样用户就可以根据实际需要，确定读哪一段、以及该段应读多少数据，在用户逻辑里，如果有必要，应该增加一个已读数据计数器。但是这个是根据实际需要而定）在得到数据状态（S3），计数接收到数据。由于数据是以位接收，以字节送出，故这个状态存在一个计数器。在该状态，存在两个不同的判断计数器值的语句，根据代码，思考一下就会明白的。当计数器值满足条件以后，就进入数据输出状态（S4）。在数据输出状态（S4）状态，已经串－并转换后的数据从dout[7:0]输出，同时转到等待用户指令状态（S2）。

如何将用户定义数据加到PROM/FLASH
    前面所述都是已经假定用户数据已经装到了PROM/FLASH当中，现在就讲述具体怎样实现数据的装入。
    首先存在一个名字为Perl的脚本文件，该脚本文件可以使用户定义数据加到PROM文件中。格式是Intel Object和Hex格式。
    Perl脚本文件可以在参考设计的/Perl_Script目录中找到。
    Perl脚本文件不支持Motorola EXORmacs和TEKTRONIX TEK两种文件格式。
    为了详细解释这个脚本文件做了什么以及其如何工作，因此有必要详细PROM文件的格式。将分3部分来详细描述PROM文件的格式。

• 位交换
  很好理解位交换。在Intel Object和Hex格式文件里的数据的顺序和数据从PROM/FLASH中读到FPGA当中后的顺序是相反的。也就是说在Intel Object和Hex文件中的MSB是FPGA当中的LSB，Intel Object和Hex文件中的LSB，在FPGA当中是MSB。就是顺序颠倒了。
  在Hex文件里，可以使能位交换或者不使能位交换，但是Intel Object文件则无此功能。
  由于数据顺序的颠倒，因此，可以有两种方式来处理位交换：
  1． 用户数据不作任何变化而附加到PROM配置数据后面。当用户数据读到FPGA当中之后，根据实际需要，再决定是否将顺序调整过来；
  2． 用户数据做了位交换后再附加到PROM配置数据后面。这样用户数据读到FPGA当中之后，就不必再做顺序调整。
  以上两种方法都是可取，同时采用第一种方法也不会增加额外的逻辑资源开销。
  在使用Perl脚本的时候，由于Hex文件有位交换是否使能的功能，因此-swap选项可以on或者off，来打开位交换使能或者关闭。尽管Intel Object无此功能，但是-swap选项也必须说明，尽管此时的说明是不起任何作用的。
• 记录、字节技术、校验和（不知道Record具体该翻译成哪个词，这里我翻译成“记录”）
  当将用户数据附加到PROM文件后面的时候，需要说明许多数据域。Hex格式文件不需要附加任何数据域，但是Intel Object格式文件要附加开始字串域、字节计数域、地址域、记录类型域、校验和域、以及实际的数据。Perl文件可以自动计算这些域，并将它们加到PROM文件当中。为使脚本文件可以正确计算这些数值，用户数据需要以每行16字节排列。
  Tab3到Tab5是可被iMPACT识别的记录类型：其中
  00：数据记录
  01：文件记录结束（指示文件结束）
  04：扩展的线性地址记录（提供偏移，以便来确定绝对的目的地址）
  校验和采用2进制和的补码方式以16进制给出。2进制和包括字节计数值+地址＋记录类型＋数据类型。
  扩展的线性地址记录定义了一个32位的线性地址。该地址加到后续的数据记录地址上，得到绝对地址。
   
   
• PROM大小
  PROM/FLASH是有大小限制的。因此要考虑可装到PROM/FLASH中的用户数据的大小。FPGA设计部分所占的PROM/FLASH的空间可以从对应FPGA的datasheet上查到。FPGA设计＋同步字段＋用户数据，这三者所占的空间要小于PROM/FLASH的容量。
  注：在参考设计的/Perl_Script目录下有个readme.txt文件。这个文件里详细说明了如何使用Perl脚本。

参考设计
在附件的压缩文件里有参考设计。这里简单介绍一下参考设计。FIG9是参考设计的框图：
 
从PROM/FLASH中读到的数据在LCD上显示。LCD的驱动有PicoBlaze实现。

其他实现方法
    前面讲的是在主－串模式下从PROM/FLASH中读用户数据。当然也可以采用SelectMap模式以并行方式从PROM/FLASH中读取用户数据。在设计方法与前述无太大区别，只是采用SelectMap方式后，数据为并行方式，少了串－并转换以及bit计数。
    在同步字段问题上，如果用户数据分为几个不同部分，可以采用所有同步字段都相同以及同步字段不同的方式。两者各有优缺点。如果同步字段都相同，就不清楚当前所读的数据是属于哪一段；如果同步字段不同，可以清楚当天所读数据属于哪个部分，但是存在同步字段更新和存储的问题。很好理解，不再赘述。

说明
    本文档全部内容完全来自于Xilinx XAPP694文档。参考设计也完全来自Xilinx的XAPP694.zip。由于时间和个人能力原因，肯定存在翻译和理解有偏差的地方，欢迎大家指正。有部分地方存在语句不通顺及错别字，也请大家海涵。