Xilinx 7系列FPGA架构之器件配置：多片FPGA配置策略与实践

随着数字系统复杂性的不断提高，单片FPGA往往难以满足所有设计需求。在高性能计算、网络通信、图像处理等领域，多片FPGA的配置成为了一种常见的解决方案。Xilinx 7系列FPGA以其高性能、高灵活性和高集成度，在多片FPGA配置中发挥着重要作用。本文将详细介绍Xilinx 7系列FPGA的多片配置策略、实现方法以及相关的代码示例。

二、Xilinx 7系列FPGA多片配置概述

Xilinx 7系列FPGA支持多种配置模式，包括主动串行、从动串行、主动并行（SelectMAP）以及JTAG边界扫描等。在多片FPGA配置中，通常使用串行菊花链或并行配置方式。串行菊花链配置方式适用于多片FPGA共享同一配置源的场景，而并行配置方式则适用于需要独立配置每片FPGA的场景。

三、串行菊花链配置策略

串行菊花链配置是一种将多片FPGA通过串行接口连接在一起，由单一配置源依次进行配置的方法。在这种配置方式中，每片FPGA都有一个DIN（数据输入）管脚和一个DOUT（数据输出）管脚，用于接收和发送配置数据。配置数据从配置源开始，依次通过每片FPGA的DIN管脚进入，经过处理后从DOUT管脚输出，传递给下一片FPGA。

实现串行菊花链配置的关键在于正确设置每片FPGA的配置模式管脚（M[2:0]）和时钟信号。在配置过程中，还需要注意DONE管脚的状态，以确保所有FPGA都已完成配置。

以下是一个简单的串行菊花链配置代码示例（基于Verilog）：

verilog

// 假设有三片FPGA，分别为FPGA1、FPGA2和FPGA3  

// FPGA1接收配置数据，FPGA2和FPGA3依次接收FPGA1传递的数据  

// FPGA1配置代码  

module fpga1_config(  

   input clk, // 时钟信号  

   input reset, // 复位信号  

   input din, // 数据输入  

   output dout, // 数据输出  

   output done // 配置完成信号  

);  

// ... FPGA1配置逻辑代码 ...  

// 在配置完成后，将dout置为din的值，以传递给FPGA2  

// ...  

endmodule  

// FPGA2和FPGA3配置代码与FPGA1类似，但需将din连接至上一片FPGA的dout  

// 顶层模块  

module top_module(  

   input clk,  

   input reset,  

   input config_din, // 外部配置数据输入  

   output config_done // 所有FPGA配置完成信号  

);  

// 实例化FPGA1、FPGA2和FPGA3  

fpga1_config fpga1(  

   .clk(clk),  

   .reset(reset),  

   .din(config_din),  

   .dout(fpga2_din), // 连接至FPGA2的din  

   .done(fpga1_done)  

);  

// FPGA2和FPGA3的实例化代码类似，省略...  

// 逻辑判断所有FPGA是否配置完成  

assign config_done = fpga1_done & fpga2_done & fpga3_done;  

endmodule

四、并行配置策略

与串行菊花链配置不同，并行配置允许每片FPGA从独立的配置源接收配置数据。这种配置方式适用于需要独立配置每片FPGA的场景。在并行配置中，每片FPGA都有独立的配置接口和时钟信号。

实现并行配置的关键在于确保每片FPGA的配置数据同步加载。这通常通过共享一个全局时钟信号或使用同步机制来实现。

五、总结

Xilinx 7系列FPGA的多片配置策略为实现高性能、高灵活性的数字系统提供了有力支持。通过选择合适的配置方式和正确的实现方法，可以充分发挥FPGA的性能优势，满足各种复杂应用的需求。在实际应用中，还需要根据具体的设计需求和约束条件，灵活选择配置策略和代码实现方式。