Xilinx 7Series\UltraScale 在线升级FLASH STARTUPE2和STARTUPE3使用

news2025/7/23 12:52:16

一、FPGA 在线升级

FPGA 在线升级FLASH时，一般是通过逻辑生成SPI接口操作FLASH，当然也可以通过其他SOC经FPGA操作FLASH，那么FPGA就要实现在启动后对FLASH的控制。

对于7Series FPGA，只有CCLK是专用引脚，SPI接口均为普通IO可直接通过约束解决，CCLK产生需通过STARTUPE2产生。

对于UltraScale 及UltraScale+系列，所有FLASH配置引脚（包含CCLK和SPI）均为专用引脚，在bit运行时需通过STARTUPE3产生。

二、STARTUPE2

参考Xilinx ug470，STARTUPE2接口框图如下：
在这里插入图片描述

对SPI设置为X1，STARTUPE2例程如下：

   STARTUPE2 #(
      .PROG_USR("FALSE"),             // Activate program event security feature. Requires encrypted bitstreams.
      .SIM_CCLK_FREQ(0.0)             // Set the Configuration Clock Frequency(ns) for simulation.
   )
   STARTUPE2_spi (
      .CFGCLK(),                        // 1-bit output: Configuration main clock output
      .CFGMCLK(     ),                  // 1-bit output: Configuration internal oscillator clock output
      .EOS(),                           // 1-bit output: Active high output signal indicating the End Of Startup.
      .PREQ(),                          // 1-bit output: PROGRAM request to fabric output
      .CLK(1'b0),                       // 1-bit input: User start-up clock input
      .GSR(1'b0),                       // 1-bit input: Global Set/Reset input (GSR cannot be used for the port name)
      .GTS(1'b0),                       // 1-bit input: Global 3-state input (GTS cannot be used for the port name)
      .KEYCLEARB(1'b1),                 // 1-bit input: Clear AES Decrypter Key input from Battery-Backed RAM (BBRAM)
      .PACK(1'b1),                      // 1-bit input: PROGRAM acknowledge input
      .USRCCLKO(i_SPI1_CLK),            // 1-bit input: User CCLK input
      .USRCCLKTS(1'b0),                 // 1-bit input: User CCLK 3-state enable input
      .USRDONEO(1'b1),                  // 1-bit input: User DONE pin output control
      .USRDONETS(1'b1)                  // 1-bit input: User DONE 3-state enable output
   );
  
assign o_QSPI_flash_MOSI = i_SPI1_MOSI;
assign o_QSPI_flash_CSB  = i_SPI1_CSB;
assing o_SPI1_MISO       = i_QSPI_flash_MISO;

其中：
（1）o_QSPI_flash_MOSI、o_QSPI_flash_CSB、i_QSPI_flash_MISO、o_QSPI_flash_SCLK为连接到FLASH的信号，i_SPI1_MOSI、i_SPI1_CSB、o_SPI1_MISO、i_SPI1_CLK为FPGA内部产生或其他SOC产生的配置FLASH SPI信号，FPGA通过STARTUPE2 和逻辑完成这些信号和FLASH的连接；

（2）STARTUPE2 中USRCCLKO为输入，USRCCLKTS为三态控制信号，当USRCCLKTS=0，时USRCCLKO输出到CCLK，用于配置FLASH，因CCLK为专用管脚，故代码中不需要CCLK的描述；

（3）USRDONETS的控制与USRCCLKTS类似，USRDONETS=0，USRDONEO直接输出到FPGA的配置DONE引脚

（4）CFGCLK为输出的配置时钟，FPGA可用该时钟产生SPI逻辑，也可用其他时钟信号

三、STARTUPE3

参考Xilinx ug570，STARTUPE3接口框图如下：

在这里插入图片描述

对SPI设置为X1，STARTUPE3例程如下：

wire [3:0] QSPI_in_null;
   STARTUPE3 #(
      .PROG_USR("FALSE"),  // Activate program event security feature. Requires encrypted bitstreams.
      .SIM_CCLK_FREQ(0.0)  // Set the Configuration Clock Frequency (ns) for simulation.
   )
   STARTUPE3_inst (
      .CFGCLK(),                                                   // 1-bit output: Configuration main clock output.
      .CFGMCLK(),                                                  // 1-bit output: Configuration internal oscillator clock output.
      .DI({QSPI_in_null[3:2],i_QSPI_flash_MISO,QSPI_in_null[0]}),  // 4-bit output: Allow receiving on the D input pin.
      .EOS (),                                                     // 1-bit output: Active-High output signal indicating the End Of Startup.
      .PREQ(),                                                     // 1-bit output: PROGRAM request to fabric output.
      .DO({3'b111,o_QSPI_flash_MOSI}),                             // 4-bit input: Allows control of the D pin output.
      .DTS(4'b0010),                                               // 4-bit input: Allows tristate of the D pin.
      .FCSBO(o_QSPI_flash_CSB),                                    // 1-bit input: Controls the FCS_B pin for flash access.
      .FCSBTS(1'b0),                                               // 1-bit input: Tristate the FCS_B pin.
      .GSR(1'b0),                                                  // 1-bit input: Global Set/Reset input (GSR cannot be used for the port).
      .GTS(1'b0),                                                  // 1-bit input: Global 3-state input (GTS cannot be used for the port name).
      .KEYCLEARB(1'b1    ),                                        // 1-bit input: Clear AES Decrypter Key input from Battery-Backed RAM (BBRAM).
      .PACK(1'b1),                                                 // 1-bit input: PROGRAM acknowledge input.
      .USRCCLKO(o_QSPI_flash_SCLK),                                // 1-bit input: User CCLK input.
      .USRCCLKTS(1'b0),                                            // 1-bit input: User CCLK 3-state enable input.
      .USRDONEO(1'b1),                                             // 1-bit input: User DONE pin output control.
      .USRDONETS(1'b1)                                             // 1-bit input: User DONE 3-state enable output.
   );

其中：
（1）o_QSPI_flash_MOSI、o_QSPI_flash_CSB、i_QSPI_flash_MISO、o_QSPI_flash_SCLK为FPGA内部产生或其他SOC产生的配置FLASH SPI信号，FPGA通过STARTUPE3 和逻辑完成这些信号和FLASH的连接，应CCLK和SPI均为专用管脚，故代码中不需要CCLK的描述；

（2）STARTUPE3 中USRCCLKO为输入，USRCCLKTS为三态控制信号，当USRCCLKTS=0，时USRCCLKO输出到CCLK，用于配置FLASH

（3）DO为FPGA输出到FLASH的QSPI 数据信号，例程采用了SPIx1，仅D0 MOSI有效，D3 D2设置为1，falsh WP_B和HOLD_B信号无效;

（4）DI为FLASH输入到FPGA的QSPI 数据信号,例程采用了SPIx1，仅D1 MISO有效；

（5）DTS为数据信号方向，例程采用了SPIx1，所以D0为MOSI，D1为MISO，其他为WP和HOLD信号，所以DTS设置为4’b0010

（4）FCSBO为FPGA输出到FLASH的FCSBO信号,FCSBTS=0表示由FPGA逻辑输出o_QSPI_flash_CSB到FLASH的CSB

（5）DTS为数据信号方向，例程采用了SPIx1，所以D0为MOSI，D1为MISO，其他为WP和HOLD信号，所以DTS设置为4’b0010

（6）USRDONETS的控制与USRCCLKTS类似，USRDONETS=0，USRDONEO直接输出到FPGA的配置DONE引脚

（7）CFGCLK为输出的配置时钟，FPGA可用该时钟产生SPI逻辑，也可用其他时钟信号

STARTUPE3有许多三态控制，如下图所示，当三态控制信号为0时，信号按下图中反向传输，为1是反向。
在这里插入图片描述