【设计经验】3、ISE中烧录QSPI Flash以及配置mcs文件的加载速度与传输位宽

一、软件与硬件平台

软件平台：

操作系统：Windows 7 64-bit

开发套件：ISE14.7

硬件平台：

FPGA型号：XC6SLX45-CSG324

QSPI Flash型号：W25Q128BV

二、背景介绍

　　在FPGA开发过程中，如果我们把bit文件下载到FPGA中，那么当FPGA掉电以后，bit文件就丢失，再次上电的时候，代码就不会运行了。如果想掉电以后，代码还可以运行，那么必须把编译好的文件下载到外部的QSPI Flash中。当文件下载到外部的QSPI Flash中以后，由于QSPI Flash是一种非易失性存储器，掉电以后里面的数据并不会丢失，待重新上电以后，FPGA会自动读取QSPI Flash中的数据把代码加载到FPGA内部的RAM中运行。

　　由于bit不能直接下载到QSPI Flash中，所以必须先把bit文件转化为.mcs文件或者.bin文件，然后才能下载到QSPI Flash中。

　　本文主要教大家如何把bit文件转化为.bin文件和.mcs文件，然后下载到外部的QSPI Flash中。同时为了加快上电以后FPGA加载QSPI Flash中mcs文件的速度，我们可以把bit文件配置为4线模式(前提是你的硬件必须支持四线模式)，并修改加载的时钟频率，从而大大加快FPGA的启动速度。

三、目标任务

1、把编译好的bit文件转化为.bin文件

2、把编译好的bit文件转化为.mcs文件

3、把.bin文件或者.mcs文件烧录到外部的QSPI Flash中

4、修改.bit文件的模式以及支持的时钟频率

四、待测代码

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

reg  [:]  R_cnt_ls      ;
wire         W_clk_ls      ;
reg          R_clk_ls_reg  ;
reg  [:]   R_led_out_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：产生1s的时钟
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        begin
            R_cnt_ls        <= 'd0 ;
            R_clk_ls_reg    <= 'b1  ;
        end
    else if(R_cnt_ls == 'd24_999_999)
        begin
            R_cnt_ls        <= 'd0          ;
            R_clk_ls_reg    <= ~R_clk_ls_reg  ;
        end
    else
        R_cnt_ls <= R_cnt_ls + 'b1 ;
end

assign W_clk_ls = R_clk_ls_reg ;

//////////////////////////////////////////////////////////////////
// 功能：对输出寄存器进行移位产生流水效果
//////////////////////////////////////////////////////////////////
always @(posedge W_clk_ls or negedge I_rst_n)
begin
    if(!I_rst_n)
        R_led_out_reg <= 'b0001 ;
    else if(R_led_out_reg == 'b1000)
        R_led_out_reg <= 'b0001 ;
    else
        R_led_out_reg <= R_led_out_reg <<  ;
end

assign O_led_out = ~R_led_out_reg ;

endmodule

　　写好待测代码，并添加物理约束文件绑定好管脚，我的开发板上的约束文件如下

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

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

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

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

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

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

五、任务

一、把.bit文件转化为.bin文件。

　　1、编写好代码和约束文件，双击Generate Programming File成bit

　　2、如果上一步你没做任何设置的话你的工程目录下只会产生一个bit文件，如果需要产生bin文件的话，选中Generate Programming File，右键选择Process Properties...

　　3、在弹出的窗口中单击General Options，并勾选-g Binary选项，并点击最下面的OK

　　4、Generate Programming File前面变成了“问号”图标

　　5、重新双击Generate Programming File，完毕以后工程目录就生成了.bin文件

　　在ISE不支持bin文件下载到QSPI Flash，但是Vivado支持，后续会有Vivado调试教程以及烧录教程。

二、把.bit文件转化为.mcs文件。

　　1、编写好代码和约束文件，双击Generate Programming File成.bit文件

　　2、双击Configure Target Device

　　3、在弹出的窗口中点击OK

　　4、在弹出的ISE iMPACT中双击Create PROM File(PROM File Formatter)

　　5、在弹出的PROM File Formatter窗口中选择Configure Signal FPGA，并点击右边绿色的箭头进入Step 2

　　6、然后选择Storage Device（bits）为外部QSPI Flash的容量，我的QSPI Flash型号是W25Q128BV，容量为128Mbits，所以我选择128M。接着点击的Add Storage Device，然后点击绿色的箭头进入Step 3

　　7、点击上图中的Add Storage Device，然后点击下图的箭头进入Step3

　　8、设置Output File Name为.mcs文件的名字，我设置为和.bit文件的名字相同(这一项可以随便设置)。设置Output File Location为.bit文件所在的目录(这一项也可以随便设置)，File Format设置为MCS。

　　9、点击上图中最下面的OK，弹出以下窗口

　　10、在上图中直接点击OK，在弹出的新窗口中选择要转化的.bit文件并点击右下角的“打开”

　　11、在弹出的新窗口中选择NO

　　12、在弹出的新窗口中选择OK

　　13、双击左侧的Generate File...，生成.mcs文件

　　14、生成完毕以后会出现Generate Succeeded字样

　　15、工程目录下出现了.mcs文件

　　16、双击Boundary Scan

　　17、点击Initialize Chain图标（这一步一定要保证开发板处于上电状态并且Jtag线连接正常）

　　18、在弹出的窗口中选择NO（因为我们马上要把.mcs烧录到Flash中，而不是下载.bit文件，所以选择NO）

　　19、在新弹出的窗口中选择OK

　　20、双击FPGA上面的那个虚线框包裹起来的图标

　　21、在弹出的文件选择窗口中选择之前生成好的.mcs文件，并点击打开

　　22、接着在弹出的新窗口中选择芯片型号为W25Q128BV,Data Width为1，点击OK

　　23、选中FPGA上面的FLASH图标，右键在弹出的菜单中单击Program

　　24、在弹出的新窗口中选择OK

　　25、接着就进入了烧录QSPI Flash的过程，这个过程与下载.bit相比要慢的多，需要耐心等待

　　26、下载成功以后出现Successful字样

　　27、接着关掉开发板的电源然后再打开，等一小段时间以后，程序就开始自动运行了。

三、修改bit文件的配置，加快FPGA加载速度

　　可以发现，产生的.mcs文件只有3.89M，但是重新上电到程序开始执行却花费了好几秒的时间，如果工程十分庞大，则FPGA选型的时候势必会选择逻辑资源更多的FPGA，那么编译后产生的.mcs文件会大的多，上电后加载的时间也会更长，所以在实际项目中，往往会修改bit文件的配置参数来加快上电以后代码的加载速度。具体步骤如下

　　1、编写好代码和约束文件，双击Generate Programming File成bit

　　2、选中Generate Programming File，右键选择Process Properties...

　　3、在弹出的窗口中单击Configuration Options，并设置Configuration Rate为26MHz，设置Set SPI Configuration Bus Width参数为4。并点击最下面的OK

　　注意：Configuration Rate这个参数的值不能超过你使用的QSPI Flash芯片手册中指定的最高的读频率，大多数QSPI Flash的芯片手册会在第一页说它们支持的频率高达100M甚至更高，但是其实这个频率并不是指芯片支持的读数据频率，Flash芯片支持的读数据频率一定要在芯片手册电气特性(Electrical Characteristics)那一节找。如果你选择的时钟频率超过QSPI Flash支持的最高读取频率太多，出现的现象就是FPGA根本无法加载QSPI Flash中的镜像文件导致FPGA启动失败；如果你选择的时钟频率超过QSPI Flash支持的最高读取频率一点点的话，出现的现象就是FPGA加载QSPI Flash中的镜像文件大概率失败。所以一般选择的Configuration Rate参数值要稍微低于QSPI Flash支持的最高读频率。

　　举三个例子：

　　Micron公司的N25Q064A支持的最高频率为108MHz，但支持的读命令频率为54MHz，对于这个器件来说Configuration Rate不能选的高于54MHz

　　Macronix公司的MX25L25645G支持的最高频率为133MHz，但支持的读命令频率为50MHz，对于这个器件来说Configuration Rate不能选的高于50MHz

　　本文使用的Winbond公司的W25Q128BV支持的最高频率为104MHz，但支持的读命令频率为33MHz，对于这个器件来说Configuration Rate不能选的高于33MHz，我们选择为26MHz

　　另外要说明的是Configuration Rate这个值对于不同的FPGA来说，值的范围不同。我当前使用的XC6SLX45支持的最高频率仅为26MHz，而XC7K325T支持的最高频率高达66MHz。

　　还有一点要注意的是，Set SPI Configuration Bus Width可以设置为4的前提是你的开发板上QSPI Flash和FPGA之间四根数据线都是连通的，并且PCB上建议做好四根数据线的蛇形等长。

　　4、接着重新生成.bit文件，然后把.bit文件按照上文的方法生成.mcs文件下载到QSPI Flash中，这个过程不在重复。

　　5、烧录完毕以后，重新给开发板断电然后再上电，你会发现上电的瞬间，程序就开始运行了，几乎感觉不到等待的时间。由于XC6SLX45这个器件的资源相较于7系列FPGA来说逻辑资源并不算多，生成的mcs文件并不算大，所以才这么快，而对于高端一点的FPGA来说，FPGA编译后的镜像文件能达到十几兆甚至更大，比如XC7K325t生成的镜像文件约为10M左右，所以即使你这么设置了还是有一点延时的，不过比单线肯定是要快的多。注意，生成的FPGA镜像文件大小与FPGA型号有关，与逻辑代码的多少无关，在同一块FPGA中，你写一个流水灯的代码和调用了几个FFT，FIR数字滤波器IP核的信号处理代码生成的FPGA镜像文件的大小是相同的。

　　至此，整个实验过程全部完毕。

六、总结

　　1、在生成bit文件的设置中勾选-g Binary选项可以生成bin文件

　　2、在生成mcs文件之间提前对bit进行速率与位宽的设置可以提高FPGA从Flash加载程序的速度

　　3、设置Configuration Rate参数之前一定要阅读QPSI Flash芯片手册的电气特性(Electrical Characteristics)一节，找到支持的最高频率。