一、軟件與硬件平台
軟件平台：
操作系統：Windows 7 64-bit
開發套件：ISE14.7
硬件平台：
FPGA型號：XC6SLX45-CSG324
QSPI Flash型號：W25Q128BV
二、背景介紹
在FPGA開發過程中，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，由於QSPI Flash是一種非易失性存儲器，掉電以后里面的數據並不會丟失，待重新上電以后，FPGA會自動讀取QSPI Flash中的數據把代碼加載到FPGA內部的RAM中運行。
由於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)，並修改加載的時鍾頻率，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鍾頻率
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：產生1s的時鍾 ////////////////////////////////////////////////////////////////// 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，並添加物理約束文件綁定好管腳，我的開發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生一個bit文件，如果需要產生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，並勾選-g Binary選項，並點擊最下面的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，后續會有Vivado調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，並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。接着點擊的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)，File 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文件並點擊右下角的“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Generate Succeeded字樣
15、工程目錄下出現了.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板處於上電狀態並且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，並點擊打開
22、接着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、接着就進入了燒錄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Successful字樣
27、接着關掉開發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
可以發現，產生的.mcs文件只有3.89M，但是重新上電到程序開始執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，並設置Configuration Rate為26MHz，設置Set SPI Configuration Bus Width參數為4。並點擊最下面的OK
注意：Configuration Rate這個參數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，但是其實這個頻率並不是指芯片支持的讀數據頻率，Flash芯片支持的讀數據頻率一定要在芯片手冊電氣特性(Electrical Characteristics)那一節找。如果你選擇的時鍾頻率超過QSPI Flash支持的最高讀取頻率太多，出現的現象就是FPGA根本無法加載QSPI Flash中的鏡像文件導致FPGA啟動失敗；如果你選擇的時鍾頻率超過QSPI Flash支持的最高讀取頻率一點點的話，出現的現象就是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參數值要稍微低於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，對於這個器件來說Configuration Rate不能選的高於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，對於這個器件來說Configuration Rate不能選的高於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，對於這個器件來說Configuration Rate不能選的高於33MHz，我們選擇為26MHz
另外要說明的是Configuration Rate這個值對於不同的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的前提是你的開發板上QSPI Flash和FPGA之間四根數據線都是連通的，並且PCB上建議做好四根數據線的蛇形等長。
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，重新給開發板斷電然后再上電，你會發現上電的瞬間，程序就開始運行了，幾乎感覺不到等待的時間。由於XC6SLX45這個器件的資源相較於7系列FPGA來說邏輯資源並不算多，生成的mcs文件並不算大，所以才這么快，而對於高端一點的FPGA來說，FPGA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用了幾個FFT，FIR數字濾波器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。
六、總結
1、在生成bit文件的設置中勾選-g Binary選項可以生成bin文件
2、在生成mcs文件之間提前對bit進行速率與位寬的設置可以提高FPGA從Flash加載程序的速度
3、設置Configuration Rate參數之前一定要閱讀QPSI Flash芯片手冊的電氣特性(Electrical Characteristics)一節，找到支持的最高頻率。