基于Xilinx-Spartan6 FPGA的MultiBoot设计的实现

摘要 介绍了Multibool的两种实现方法。通过Xilinx Spartan-6 FPGA的Multiboot特性，允许用户一次将多个配置文件下载入Flash中，根据不同时刻的需求，在不掉电重启的情况下，从中选择一个来重配置FPGA，实现不同功能，提高器件利用率，增加系统安全性，降低系统成本。
关键词 MultiBoot；Fallback；重配置

Xilinx公司出品的Spartan6系列FPGA所具有的MultiBoot特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，有选择地从存储于Flash中的多个配置文件中加载其中的一个，对FPCA在系统重配置，实现不同的功能。MultiBoot特性使得用户可以在某些场合选择较少逻辑资源的Xilinx FPGA，实现需要较大逻辑资源且较昂贵的FPGA或ASIC才能实现的功能，从而提高器件利用率及系统安全性、降低系统成本。

1 基本概念
Spartan-6 FPGA在上电时从片外Flash加载mcs文件进行配置。根据所包含的bit流文件的个数，mcs文件分为两类：一类是南单bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件中只包含一个bit流文件，用此类mcs文件配置FPGA时，只能实现一种功能；另一类是由多个bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件包含多个bit流文件。用此类mcs文件配置FPGA时，可根据需求有选择地加载其中的某个bit流文件对FPGA进行系统重配置，即MultiBoot特性。
Spartan-6 FPGA拥有专用的MultiBoot逻辑配置模块，来实现MultiBoot和Fallback操作。MultiBoot操作是在各配置bit流文件能正常加载的前提下，通过ICAP设置配置模块中的相关寄存器并触发IPROG命令，实现在不同配置bit流文件中的切换，达到FPGA实现不同功能的目的。Fallback操作是在从配置A切换到配置B的过程中出错时，用另一个比较“安全”的bit流文件代替配置文件B配置FPGA的操作。这个比较“安全”的bit流文件称为Golden。
FPGA的重配置操作，是通过专用的ICAP_SPARTAN6原语向配置模块发送IPROG命令来实现的。重配置操作可由FPGA外部的处理器、微控制器、计算机和按键等“智能”终端触发。在应用设计中，只需在每个应用程序中例化一个ICAP_SPARTAN6原语来实现相关命令序列即可实现MultiBoot特性。
Spartan6的多bit流配置可通过SPIx1，x2，x4及BPI模式实现，文中只介绍基于SPI模式的MultiBoot特性的实现，用配置文件代替应用程序。

2 MultiBoot操作相关寄存器简介
(1)所有Spartan-6 FPGA的bit流控制命令都是通过读写相关配置寄存器实现的。配置数据都是16位宽的字，也有一些数据是多字的，配置数据包含的3个主要命令如表1所示。

(2)所有的操作数据可分为两种：
TYPE1包含两部分：Header，Data。
TYPE2包含3部分：Header，Word Count，Data。
用TPYE1就能实现MultiBoot和Fallback操作，故只介绍TYPE1。TYPE1的Header是个16位字，用其中6位表示相关寄存器的地址，如表2所示。

其中Operation位[12：11]是表1中所列的操作码，寄存器地址[10：5]如表4所示，字节数[4：0]表示操作所需的字节数。
TYPE1的数据部分形式如表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。