一、軟件與硬件平臺

軟件平臺：

開發(fā)套件：ISE14.7

硬件平臺：

FPGA型號：XC6SLX45-CSG324

QSPI Flash型號：W25Q128BV

二、背景介紹

在FPGA開發(fā)過程中，如果我們把bit文件下載到FPGA中，那么當FPGA掉電以后，bit文件就丟失，再次上電的時候，代碼就不會運行了。如果想掉電以后，代碼還可以運行，那么必須把編譯好的文件下載到外部的QSPI Flash中。當文件下載到外部的QSPI Flash中以后，由于QSPI Flash是一種非易失性存儲器，掉電以后里面的數(shù)據(jù)并不會丟失，待重新上電以后，F(xiàn)PGA會自動讀取QSPI Flash中的數(shù)據(jù)把代碼加載到FPGA內(nèi)部的RAM中運行。

由于bit不能直接下載到QSPI Flash中，所以必須先把bit文件轉化為.mcs文件或者.bin文件，然后才能下載到QSPI Flash中。

本文主要教大家如何把bit文件轉化為.bin文件和.mcs文件，然后下載到外部的QSPI Flash中。同時為了加快上電以后FPGA加載QSPI Flash中mcs文件的速度，我們可以把bit文件配置為4線模式(前提是你的硬件必須支持四線模式)，并修改加載的時鐘頻率，從而大大加快FPGA的啟動速度。

三、目標任務

1、把編譯好的bit文件轉化為.bin文件

2、把編譯好的bit文件轉化為.mcs文件

3、把.bin文件或者.mcs文件燒錄到外部的QSPI Flash中

4、修改.bit文件的模式以及支持的時鐘頻率

四、待測代碼

module led_top
(
    input           I_clk       ,
    input           I_rst_n     ,
    output  [3:0]   O_led_out
);

reg  [31:0]  R_cnt_ls      ;
wire         W_clk_ls      ;
reg          R_clk_ls_reg  ;
reg  [3:0]   R_led_out_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：產(chǎn)生1s的時鐘
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0 ;
            R_clk_ls_reg    <= 1'b1  ;
        end 
    else if(R_cnt_ls == 32'd24_999_999)
        begin
            R_cnt_ls        <= 32'd0          ;
            R_clk_ls_reg    <= ~R_clk_ls_reg  ;
        end
    else
        R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 1'b1 ;
end

assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：對輸出寄存器進行移位產(chǎn)生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
    else if(R_led_out_reg == 4'b1000)
        R_led_out_reg <= 4'b0001 ;
    else    
        R_led_out_reg <= R_led_out_reg << 1 ;
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

endmodule

寫好待測代碼，并添加物理約束文件綁定好管腳，我的開發(fā)板上的約束文件如下

NET I_clk LOC = V10 | TNM_NET = sys_clk_pin | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 50000 kHz;

NET I_rst_n           LOC = N4 | IOSTANDARD = "LVCMOS15"; ## SW2 pushbutton

NET O_led_out<0>    LOC = V5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED1

NET O_led_out<1>    LOC = R3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED2

NET O_led_out<2>    LOC = T3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED3

NET O_led_out<3>    LOC = T4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED4

五、任務

一、把.bit文件轉化為.bin文件。

1、編寫好代碼和約束文件，雙擊Generate Programming File成bit

2、如果上一步你沒做任何設置的話你的工程目錄下只會產(chǎn)生一個bit文件，如果需要產(chǎn)生bin文件的話，選中Generate Programming File，右鍵選擇Process Properties...

3、在彈出的窗口中單擊General Options，并勾選-g Binary選項，并點擊最下面的OK

4、Generate Programming File前面變成了“問號”圖標

5、重新雙擊Generate Programming File，完畢以后工程目錄就生成了.bin文件

在ISE不支持bin文件下載到QSPI Flash，但是Vivado支持，后續(xù)會有Vivado調(diào)試教程以及燒錄教程。

二、把.bit文件轉化為.mcs文件。

1、編寫好代碼和約束文件，雙擊Generate Programming File成.bit文件

2、雙擊Configure Target Device

3、在彈出的窗口中點擊OK

4、在彈出的ISE iMPACT中雙擊Create PROM File(PROM File Formatter)

5、在彈出的PROM File Formatter窗口中選擇Configure Signal FPGA，并點擊右邊綠色的箭頭進入Step 2

6、然后選擇Storage Device（bits）為外部QSPI Flash的容量，我的QSPI Flash型號是W25Q128BV，容量為128Mbits，所以我選擇128M。接著點擊的Add Storage Device，然后點擊綠色的箭頭進入Step 3

7、點擊上圖中的Add Storage Device，然后點擊下圖的箭頭進入Step3

8、設置Output File Name為.mcs文件的名字，我設置為和.bit文件的名字相同(這一項可以隨便設置)。設置Output File Location為.bit文件所在的目錄(這一項也可以隨便設置)，F(xiàn)ile Format設置為MCS。

9、點擊上圖中最下面的OK，彈出以下窗口

10、在上圖中直接點擊OK，在彈出的新窗口中選擇要轉化的.bit文件并點擊右下角的“打開”

11、在彈出的新窗口中選擇NO

12、在彈出的新窗口中選擇OK

13、雙擊左側的Generate File...，生成.mcs文件

14、生成完畢以后會出現(xiàn)Generate Succeeded字樣

15、工程目錄下出現(xiàn)了.mcs文件

16、雙擊Boundary Scan

17、點擊Initialize Chain圖標（這一步一定要保證開發(fā)板處于上電狀態(tài)并且Jtag線連接正常）

18、在彈出的窗口中選擇NO（因為我們馬上要把.mcs燒錄到Flash中，而不是下載.bit文件，所以選擇NO）

19、在新彈出的窗口中選擇OK

20、雙擊FPGA上面的那個虛線框包裹起來的圖標

21、在彈出的文件選擇窗口中選擇之前生成好的.mcs文件，并點擊打開

22、接著在彈出的新窗口中選擇芯片型號為W25Q128BV,Data Width為1，點擊OK

23、選中FPGA上面的FLASH圖標，右鍵在彈出的菜單中單擊Program

24、在彈出的新窗口中選擇OK

25、接著就進入了燒錄QSPI Flash的過程，這個過程與下載.bit相比要慢的多，需要耐心等待

26、下載成功以后出現(xiàn)Successful字樣

27、接著關掉開發(fā)板的電源然后再打開，等一小段時間以后，程序就開始自動運行了。

三、修改bit文件的配置，加快FPGA加載速度

可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的.mcs文件只有3.89M，但是重新上電到程序開始執(zhí)行卻花費了好幾秒的時間，如果工程十分龐大，則FPGA選型的時候勢必會選擇邏輯資源更多的FPGA，那么編譯后產(chǎn)生的.mcs文件會大的多，上電后加載的時間也會更長，所以在實際項目中，往往會修改bit文件的配置參數(shù)來加快上電以后代碼的加載速度。具體步驟如下

1、編寫好代碼和約束文件，雙擊Generate Programming File成bit

2、選中Generate Programming File，右鍵選擇Process Properties...

3、在彈出的窗口中單擊Configuration Options，并設置Configuration Rate為26MHz，設置Set SPI Configuration Bus Width參數(shù)為4。并點擊最下面的OK

注意：Configuration Rate這個參數(shù)的值不能超過你使用的QSPI Flash芯片手冊中指定的最高的讀頻率，大多數(shù)QSPI Flash的芯片手冊會在第一頁說它們支持的頻率高達100M甚至更高，但是其實這個頻率并不是指芯片支持的讀數(shù)據(jù)頻率，F(xiàn)lash芯片支持的讀數(shù)據(jù)頻率一定要在芯片手冊電氣特性(Electrical Characteristics)那一節(jié)找。如果你選擇的時鐘頻率超過QSPI Flash支持的最高讀取頻率太多，出現(xiàn)的現(xiàn)象就是FPGA根本無法加載QSPI Flash中的鏡像文件導致FPGA啟動失敗；如果你選擇的時鐘頻率超過QSPI Flash支持的最高讀取頻率一點點的話，出現(xiàn)的現(xiàn)象就是FPGA加載QSPI Flash中的鏡像文件大概率失敗。所以一般選擇的Configuration Rate參數(shù)值要稍微低于QSPI Flash支持的最高讀頻率。

舉三個例子：

Micron公司的N25Q064A支持的最高頻率為108MHz，但支持的讀命令頻率為54MHz，對于這個器件來說Configuration Rate不能選的高于54MHz

Macronix公司的MX25L25645G支持的最高頻率為133MHz，但支持的讀命令頻率為50MHz，對于這個器件來說Configuration Rate不能選的高于50MHz

本文使用的Winbond公司的W25Q128BV支持的最高頻率為104MHz，但支持的讀命令頻率為33MHz，對于這個器件來說Configuration Rate不能選的高于33MHz，我們選擇為26MHz

另外要說明的是Configuration Rate這個值對于不同的FPGA來說，值的范圍不同。我當前使用的XC6SLX45支持的最高頻率僅為26MHz，而XC7K325T支持的最高頻率高達66MHz。

還有一點要注意的是，Set SPI Configuration Bus Width可以設置為4的前提是你的開發(fā)板上QSPI Flash和FPGA之間四根數(shù)據(jù)線都是連通的，并且PCB上建議做好四根數(shù)據(jù)線的蛇形等長。

4、接著重新生成.bit文件，然后把.bit文件按照上文的方法生成.mcs文件下載到QSPI Flash中，這個過程不在重復。

5、燒錄完畢以后，重新給開發(fā)板斷電然后再上電，你會發(fā)現(xiàn)上電的瞬間，程序就開始運行了，幾乎感覺不到等待的時間。由于XC6SLX45這個器件的資源相較于7系列FPGA來說邏輯資源并不算多，生成的mcs文件并不算大，所以才這么快，而對于高端一點的FPGA來說，F(xiàn)PGA編譯后的鏡像文件能達到十幾兆甚至更大，比如XC7K325t生成的鏡像文件約為10M左右，所以即使你這么設置了還是有一點延時的，不過比單線肯定是要快的多。注意，生成的FPGA鏡像文件大小與FPGA型號有關，與邏輯代碼的多少無關，在同一塊FPGA中，你寫一個流水燈的代碼和調(diào)用了幾個FFT，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器IP核的信號處理代碼生成的FPGA鏡像文件的大小是相同的。

至此，整個實驗過程全部完畢。