基于Xilinx-Spartan6 FPGA的MultiBoot設計的實現

摘要 介紹了Multibool的兩種實現方法。通過Xilinx Spartan-6 FPGA的Multiboot特性，允許用戶一次將多個配置文件下載入Flash中，根據不同時刻的需求，在不掉電重啟的情況下，從中選擇一個來重配置FPGA，實現不同功能，提高器件利用率，增加系統安全性，降低系統成本。
關鍵詞 MultiBoot；Fallback；重配置

Xilinx公司出品的Spartan6系列FPGA所具有的MultiBoot特性，允許用戶在不掉電重啟的情況下，根據不同時刻的需求，有選擇地從存儲于Flash中的多個配置文件中加載其中的一個，對FPCA在系統重配置，實現不同的功能。MultiBoot特性使得用戶可以在某些場合選擇較少邏輯資源的Xilinx FPGA，實現需要較大邏輯資源且較昂貴的FPGA或ASIC才能實現的功能，從而提高器件利用率及系統安全性、降低系統成本。

1 基本概念
Spartan-6 FPGA在上電時從片外Flash加載mcs文件進行配置。根據所包含的bit流文件的個數，mcs文件分為兩類：一類是南單bit流文件生成的mcs文件，即該mcs文件中只包含一個bit流文件，用此類mcs文件配置FPGA時，只能實現一種功能；另一類是由多個bit流文件生成的mcs文件，即該mcs文件包含多個bit流文件。用此類mcs文件配置FPGA時，可根據需求有選擇地加載其中的某個bit流文件對FPGA進行系統重配置，即MultiBoot特性。
Spartan-6 FPGA擁有專用的MultiBoot邏輯配置模塊，來實現MultiBoot和Fallback操作。MultiBoot操作是在各配置bit流文件能正常加載的前提下，通過ICAP設置配置模塊中的相關寄存器并觸發IPROG命令，實現在不同配置bit流文件中的切換，達到FPGA實現不同功能的目的。Fallback操作是在從配置A切換到配置B的過程中出錯時，用另一個比較“安全”的bit流文件代替配置文件B配置FPGA的操作。這個比較“安全”的bit流文件稱為Golden。
FPGA的重配置操作，是通過專用的ICAP_SPARTAN6原語向配置模塊發送IPROG命令來實現的。重配置操作可由FPGA外部的處理器、微控制器、計算機和按鍵等“智能”終端觸發。在應用設計中，只需在每個應用程序中例化一個ICAP_SPARTAN6原語來實現相關命令序列即可實現MultiBoot特性。
Spartan6的多bit流配置可通過SPIx1，x2，x4及BPI模式實現，文中只介紹基于SPI模式的MultiBoot特性的實現，用配置文件代替應用程序。

2 MultiBoot操作相關寄存器簡介
(1)所有Spartan-6 FPGA的bit流控制命令都是通過讀寫相關配置寄存器實現的。配置數據都是16位寬的字，也有一些數據是多字的，配置數據包含的3個主要命令如表1所示。

(2)所有的操作數據可分為兩種：
TYPE1包含兩部分：Header，Data。
TYPE2包含3部分：Header，Word Count，Data。
用TPYE1就能實現MultiBoot和Fallback操作，故只介紹TYPE1。TYPE1的Header是個16位字，用其中6位表示相關寄存器的地址，如表2所示。

其中Operation位[12：11]是表1中所列的操作碼，寄存器地址[10：5]如表4所示，字節數[4：0]表示操作所需的字節數。
TYPE1的數據部分形式如表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。