FPGA設(shè)計(jì)筆記：QSPI Flash與DDR3L SDRAM采用同一I/O分區(qū)

眾所周知FPGA的硬件資源被劃分為若干個(gè)不同的bank，Xilinx一些高端的FPGA器件由22個(gè)甚至更多個(gè)bank組成，這樣設(shè)計(jì)主要是為了提高靈活性。FPGA的I/O支持1.8V、2.5V和3.3V等多種電平輸入輸出，為了獲得這些I/O電平，就需要在對(duì)應(yīng)bank的供電引腳輸入對(duì)應(yīng)的電源電壓，這樣就節(jié)省了很多總線轉(zhuǎn)換器。

Flash是一種具有電可擦除的可編程ROM存儲(chǔ)器，掉電內(nèi)容不會(huì)丟失，按接口可以分為兩大類：并行Flash和串行Flash，并行Flash存儲(chǔ)量大，速度快;而串行Flash存儲(chǔ)量相對(duì)較小，但體積小，連線簡(jiǎn)單，可減小電路面積，節(jié)約成本。SPI Flash是內(nèi)嵌SPI總線接口的串行Flash，它比起傳統(tǒng)的并行總線接口Flash，節(jié)省了很多的I/O口資源。

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)也是FPGA設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的內(nèi)存器件，掉電后不能保存數(shù)據(jù)，功耗也比較大。因此Flash用于保存FPGA系統(tǒng)啟動(dòng)所需的配置文件，SDRAM則用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的緩存，所有程序的運(yùn)行都在內(nèi)存中進(jìn)行，速度快。

Xilinx Spartan-7 FPGA器件適用于那些成本敏感型應(yīng)用。它采用小型封裝卻擁有高比例的I/O數(shù)量，單位功耗性價(jià)比相較前代產(chǎn)品提升多達(dá)四倍，可提供靈活的連接能力、接口橋接和輔助芯片等功能。

圖1：Xilinx推出的成本敏感型的Spartan-7系列FPGA器件

最小型的Spartan-7 FPGA只集成了100個(gè)I/O管腳，劃分為兩個(gè)bank，如果能夠?qū)崿F(xiàn)將QSPI Flash和DDR SDRAM都集成到同一bank那么就會(huì)充分利用有限的I/O資源。QSPI Flash的工作電壓是1.8V，而DDR3L SDRAM的工作電壓為1.35V，因此我們需要借助電壓轉(zhuǎn)換模塊、MIG(Memory Interface Generator， 內(nèi)存接口生成器)IP模塊和Vivado工具的一些設(shè)置，專用I/O bank 0電壓為1.8V，bank 14電壓為1.35V，具體鏈接方式如下圖所示：

圖2：Spartan-7 FPGA同一bank連接1.8V SPI Flash和1.35V DDR3L

雖然這不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，只是限于有限的I/O資源，但是對(duì)于小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)不失為一種好的方法。具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如器件選型、原理圖、確定時(shí)鐘頻率等要求請(qǐng)參看官方文檔XAPP1313。