Spartan6系列FPGA的配置模式详解（主模式/具体配置模式）
1. 配置概述
spartan6系列fpga通过把应用程序数据导入芯片内部存储器完成芯片的配置spart-6 fpga可以自己从外部非易失性存储器导入编程数据，或者通过外界的微处理器、dsp等对其进行编程对以上任何一种情况，都有串行配置和并行配置之分，串行配置可以减少芯片对引脚的要求，并行配置对8bit/16bit flash或者微处理器来说更合适
因为xilinx的fpga器件的配置数据存储在cmos 配置锁存器内（ccl），因此spartan6 fpga器件上电后必须重新配置spartan6器件有多种配置模式，包括：
jtag配置模式
master serial/spi配置模式（x1，x2，x4）
slave serial配置模式
master selectmap/bpi配置模式（x8，x16）
slave selectmap配置模式（x8，x16）
spartan6系列fpga的配置模式由引脚m［0:1］的状态决定（详细介绍见spartan6系列之器件引脚功能详述），在主配置模式中，cclk默认来自与内部的振荡器，也可以来自外部的gclk0/usercclk.，the bitgen？-g configrate选项可以设置内部时钟的振荡频率，默认频率为2mhz；无论m［0:1］状态如何，jtag配置始终可用
对一个fpga系统来说，可以有多种配置模式，但往往只有一种配置模式最适合自己的目标系统，应该要进行慎重的选择当然，fpga可以重新装载多个镜像文件，因此可以为1片fpga提供多个配置文件，典型的应用为：当fpga上电时，装载一个自检的镜像文件，完成自检后重新装载最终的应用程序镜像文件这种方法可大大提高fpga的使用效率
因为fpga的外部存储器可以存储多个镜像文件，因此可以通过fpga正在使用（已装载的镜像）更新外部存储器内容，实现远程镜像更新升级
1.1. 主模式配置（master mode）
由fpga自身将外部存储器的配置数据装载进内部的模式称为主模式配置；主配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式
图 1主配置模式连接方式汇总
1.2. 从模式配置（slave mode）
由外部器件（主要指处理器）对fpga进行配置的模式成为从模式；从配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式
图 2从配置模式连接方式汇总
2. 具体配置模式详解
spartan-6系列fpga的配置模式由模式控制引脚决定，具体情况如表1所示
表格 1spartan-6 fpga配置模式
2.1. jtag配置模式
在任何情况下，只要fpga上电，就可以使用jtag模式
2.2. serial配置模式
在serial配置模式中，fpga在每个cclk周期载入1bit配置数据
图 3serial configuration时序图
2.2.1. master serial配置模式
在配置完成之前，done信号为0，将在整个配置过程中片选platform flash；program_b是在配置fpga之前对fpga进行异步复位；由时序图可以看出，若没有crc错误，fpga的init_b是作为输出始终将platform flash的oe置高
图 4master serial mode 配置电路图
2.2.2. slave serial配置模式
对fpga的异步复位（program_b）既可以由外部器件如按钮产生，也可以由cpld或microprocessor产生；数据及时钟信号均由cpld等产生；
图 5slave serial 配置模式
2.3. selectmap配置模式
selectmap配置接口提供了8/16bit双向数据接口，即可用于对fpga的配置，也可用于对fpga配置数据的回读在selectmap模式中有多种配置思路，例举如下：
单fpga的master selectmap配置
单fpga的slave selectmap配置
多个fpga呈菊花链连接形式以selectmap总线配置不同image
多个fpga呈并列一组形式以selectmap总线配置同一个image
表格 2 selectmap接口中需特别说明的接口信号
图 6 selectmap配置接口
selectmap配置模式有多种时序，因控制信号的不同而不同，主要有三种：连续的selectmap配置模式数据载入时序、非连续数据总线可控的selectmap配置模式数据载入时序、非连续时钟可控的selectmap配置模式数据载入时序数据总线宽带可以是8/16bit宽，数据宽度取决于配置启动阶段对数据总线采样的结果，在启动阶段，数据总线会输出特殊的标志数据
图 7连续的selectmap配置模式数据载入时序
图 8非连续数据总线可控的selectmap配置模式数据载入时序
图 9非连续时钟可控的selectmap配置模式数据载入时序
2.3.1. 单fpga的master selectmap配置模式
在主模式下，csi_b和edwr_b接地，使能了selectmap的数据线并使数据线的方向为输入；因为是单fpga，所以不需要用到cso_b，浮置即可
图 10单fpga的主selectmap配置模式
2.3.2. 单fpga的slave selectmap配置模式
当使用cpld/microprocessor来配置fpga时，即可使用master selectmap模式也可使用slave selectmap模式，但优先使用slave selectmap配置模式当cpld/microprocessor的select等于0时，将使能fpga的selectmap配置模式数据总线；当cpld/microprocessor的read/write为0时，fpga的selectmap配置模式数据总线方向为输入，这时可以将配置数据输入到fpga内部
图 11单fpga的从selectmap配置模式
2.4. spi配置模式
spi配置模式只能工作于主模式，spi接口允许fpga把标准的工业spi flash作为配置数据存储介质需要注意的是，在fpga呈菊花链连接模式中，fpga的spi模式配置只能选择spix1方式，不能选择spix2或spix4模式要使能fpga的spix4的配置模式，需要在ise的bitgen选项里增加“-g： spi_buswidth:4”
图 12spartan-6 fpga spi配置接口
图 13spartan-6 fpga spi配置接口电路图
不同数据线传输模式根据spi总线每次传输的命令区分，single_read的命令操作码：0x03或0xe8；dual_read的命令操作码：0x3b；quad_read的命令操作码：0x6b
图 14spi总线single_read时序
图 15spi总线dual_read时序
图 16spi总线quad_read时序
2.5. bpi配置接口
bpi：byte-wide peripheral interface，字节宽度外设接口fpga可以从一个工业标准的并行nor flash读取配置数据spartan-6 fpga最高支持1gb的nor flash，也就是说地址线最高可达26根，但是并不是每种spartan-6 fpga都支持bpi配置或者26位的地址线的，具体情况例举如下：
mcb-m1（bank1的存储器控制模块）可以用作bpi配置接口，但是，用户只能选择将mcb_m1用作存储器控制接口或者bpi之一，不能同时作为两种接口使用
6slx4 、6slx25/t fpga不支持bpi配置接口
tqg144 和 cpg196封装的fpga不支持bpi配置接口
csg225封装中bpi配置地址线a22、a23不可用
图 17bpi配置接口
表格 3bpi配置中特殊引脚说明
图 18bpi配置总线电路连接图
图 19bpi配置总线时序图
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因为xilinx的fpga器件的配置数据存储在cmos 配置锁存器内（ccl），因此spartan6 fpga器件上电后必须重新配置spartan6器件有多种配置模式，包括：
jtag配置模式
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slave serial配置模式
master selectmap/bpi配置模式（x8，x16）
slave selectmap配置模式（x8，x16）
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对一个fpga系统来说，可以有多种配置模式，但往往只有一种配置模式最适合自己的目标系统，应该要进行慎重的选择当然，fpga可以重新装载多个镜像文件，因此可以为1片fpga提供多个配置文件，典型的应用为：当fpga上电时，装载一个自检的镜像文件，完成自检后重新装载最终的应用程序镜像文件这种方法可大大提高fpga的使用效率
因为fpga的外部存储器可以存储多个镜像文件，因此可以通过fpga正在使用（已装载的镜像）更新外部存储器内容，实现远程镜像更新升级
1.1. 主模式配置（master mode）
由fpga自身将外部存储器的配置数据装载进内部的模式称为主模式配置；主配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式
图 1主配置模式连接方式汇总
1.2. 从模式配置（slave mode）
由外部器件（主要指处理器）对fpga进行配置的模式成为从模式；从配置模式的各种连接方式如下图1所示，左侧为串行配置连接方式，右侧为并行配置连接方式
图 2从配置模式连接方式汇总
2. 具体配置模式详解
spartan-6系列fpga的配置模式由模式控制引脚决定，具体情况如表1所示
表格 1spartan-6 fpga配置模式
2.1. jtag配置模式
在任何情况下，只要fpga上电，就可以使用jtag模式
2.2. serial配置模式
在serial配置模式中，fpga在每个cclk周期载入1bit配置数据
图 3serial configuration时序图
2.2.1. master serial配置模式
在配置完成之前，done信号为0，将在整个配置过程中片选platform flash；program_b是在配置fpga之前对fpga进行异步复位；由时序图可以看出，若没有crc错误，fpga的init_b是作为输出始终将platform flash的oe置高
图 4master serial mode 配置电路图
2.2.2. slave serial配置模式
对fpga的异步复位（program_b）既可以由外部器件如按钮产生，也可以由cpld或microprocessor产生；数据及时钟信号均由cpld等产生；
图 5slave serial 配置模式
2.3. selectmap配置模式
selectmap配置接口提供了8/16bit双向数据接口，即可用于对fpga的配置，也可用于对fpga配置数据的回读在selectmap模式中有多种配置思路，例举如下：
单fpga的master selectmap配置
单fpga的slave selectmap配置
多个fpga呈菊花链连接形式以selectmap总线配置不同image
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表格 2 selectmap接口中需特别说明的接口信号
图 6 selectmap配置接口
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图 8非连续数据总线可控的selectmap配置模式数据载入时序
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在主模式下，csi_b和edwr_b接地，使能了selectmap的数据线并使数据线的方向为输入；因为是单fpga，所以不需要用到cso_b，浮置即可
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当使用cpld/microprocessor来配置fpga时，即可使用master selectmap模式也可使用slave selectmap模式，但优先使用slave selectmap配置模式当cpld/microprocessor的select等于0时，将使能fpga的selectmap配置模式数据总线；当cpld/microprocessor的read/write为0时，fpga的selectmap配置模式数据总线方向为输入，这时可以将配置数据输入到fpga内部
图 11单fpga的从selectmap配置模式
2.4. spi配置模式
spi配置模式只能工作于主模式，spi接口允许fpga把标准的工业spi flash作为配置数据存储介质需要注意的是，在fpga呈菊花链连接模式中，fpga的spi模式配置只能选择spix1方式，不能选择spix2或spix4模式要使能fpga的spix4的配置模式，需要在ise的bitgen选项里增加“-g： spi_buswidth:4”
图 12spartan-6 fpga spi配置接口
图 13spartan-6 fpga spi配置接口电路图
不同数据线传输模式根据spi总线每次传输的命令区分，single_read的命令操作码：0x03或0xe8；dual_read的命令操作码：0x3b；quad_read的命令操作码：0x6b
图 14spi总线single_read时序
图 15spi总线dual_read时序
图 16spi总线quad_read时序
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bpi：byte-wide peripheral interface，字节宽度外设接口fpga可以从一个工业标准的并行nor flash读取配置数据spartan-6 fpga最高支持1gb的nor flash，也就是说地址线最高可达26根，但是并不是每种spartan-6 fpga都支持bpi配置或者26位的地址线的，具体情况例举如下：
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