【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 [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：产生1s的时钟 ////////////////////////////////////////////////////////////////// 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：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 <= 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
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 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。