SSPI方式配置Lattice ECP3系列FPGA

本文主要包括通过SSPI方式配置Lattice ECP3系列FPGA的一些说明

最近项目中用到了Lattice ECP3，项目中使用ARM通过SSPI方式配置FPGA。所以这里对配置方法做一些笔记待以后自己或需要的朋友参考；本文内容主要来自Lattice官方文档：LatticeECP3SlaveSPIPortUsersGuide.pdf1 。

配置时序

PROGRAMN(内部弱上拉输入)

在INITN为1时给PROGRAMN一个下降沿，即表示开始配置，PROGRAMN低电平要保持Tprgm(最小25ns);
使用JTAG配置时要保证PROGRAMN一直为高。
INITN(开漏双向)

在PROGRAMN下降沿后Tdppinit(最大37ns)时间后拉低，这个下降沿会采集CFG决定配置是slave模式还是master模式，在初始化时准备好这其中一种模式；再过Ticgf(初始化时间，即清除FPGA内部数据和配置模式的时间，slave模式最大6ms，master模式最大23ms)时间拉高(这时PROGRAMN要为高，否则要等到PROGRAMN为高之后Tdinit<=1ms时间后才拉高)，也可以由外部拉低INITN来延长这个时间，这个上升沿也会采集CFG决定最后配置模式；拉高后即表示可以向FPGA输入配置数据了；若配置开始后(INITN由低到高后)被拉低则表示配置出错。
DONE(开漏内部弱上拉双向)

在PROGRAMN下降沿后Tdppdone(最大37ns)时间后拉低；接收完所有配置配置数据且确定没有错误后拉高，进入用户模式，也可以由外部拉低DONE来延迟进入用户模式的时间(这需要将DONE_EX参数设为ON)。

在JTAG配置模式时INITN,DONE没有以上意义(来自参考文档2 的p7)

注意：以上说明中实际时间针对Lattice ECP3系列芯片，数据来自参考文档3 。

除了使用PROGRAMN下降沿使FPGA初始化并重新配置，还有其它方式使FPGA进入配置；所有初始化方式如下：

上电
PROGRAMN拉低
JTAG Refresh命令
SSPI Refresh命令
Slave Parallel Refresh命令

SSPI配置流程

SSPI配置方式主要按下图的流程配置

如上介绍中SSPI可以通过Refresh命令使FPGA初始化并重新配置，或使用PROGRAMN来初始化或上电进入配置状态，要SSPI配置还需要设置配置管脚CFG[2:0]=001；然后进入第1步延迟50ms等待清除完毕
第2、3步使用READ_ID命令读取出32位的IDCODE，检查是否和要配置的Bitstream匹配，当然也可以不用检查
第4步，再次使用REFRESH命令，注意此处REFRESH命令与前面第一步的REFRESH不同，这里的REFRESH命令当做C类命令用，即该REFRESH后面没有延迟（因为前面已经清除了FPGA这里不用清除所以不用延迟等待）
第5步使用WRITE_EN命令，使能配置
第6、7步使用WRITE_INC并输入Bitstream文件
第8步使用READ_STATUS命令读取状态寄存器，检查状态，是否成功
第9步使用WRITE_DIS命令结束配置

各命令列表如下

命令	类型	操作码	描述
READ_INC	A	h01	读出配置bit流
READ_USERCODE	A	h03	读出32位USERCODE
READ_CONTROL	A	h04	读出控制寄存器的内容
READ_ID	A	h07	读出器件的JTAG IDCODE
READ_STATUS	A	h09	读出状态寄存器
CLEAR	D	h70	清除配置RAM和控制寄存器0
WRITE_INC	B	h41	连接SI到DI
WRITE_EN	C	h4A	使能配置操作
REFRESH	D	h71	清除FPGA及使能配置
WRITE_DIS	C	h4F	不使能配置操作
PROGRAM_SPI0	E	h74	连接SPI主接口到SPI0接口配置SPI Flash

其中以上READ_STATUS命令读出的状态意义如下表

位	功能	复位值	0	1	描述
0	CRC 错误	0	Pass	Fail	Bitstream 损坏
2	Bitstream 无效命令	0	Pass	Fail	Bitstream 损坏
4	加密秘钥锁定	0/1	No	Yes	配置了加密秘钥
5	Bitstream密钥有效	0	No	Yes	Bitstream密钥与加密秘钥匹配
6	发现校准序列	0	No	Yes	Bitstream有效
7	发现加密校准序列	0	No	Yes	Bitstream是加密的
8	发现标准序列	0	No	Yes	检测到序列码0xBDB3
15	数据清除	0	No	Yes	SRAM被清除
16	器件安全打开	0	No	Yes	读回被禁止
17	Done	0	No	Yes	Done管脚为高
其它	保留	x	x	x	未定义

一共A~E五种类型命令说明和时序波形如下

A类命令从ECP3中读出数据。读出的数据在时钟下降沿读出，0bit首先读出（而命令是7bit先输入），命令与数据之间有24个空闲延迟时钟周期等待命令执行，详细如下图

B类命令用于向ECP3中写入数据。0bit首先写入，命令与数据之间有24个空闲延迟时钟周期等待命令执行，详细如下图

C类命令没有读取或写入数据。命令之后有24个空闲延迟时钟周期等待命令执行，详细如下图

D类命令没有读取或写入数据。命令之后有24个空闲延迟时钟周期等待命令执行，但是24个会中周期后无论是否有时钟或SN有效都不会终止该命令，只有在此命令完成后才自动终止，用于CLEAR和REFRESH两个命令，详细如下图

E类命令是Lattice特殊命令。E类命令有PROGRAM_SPI0，其运行Slave SPI端口链接到对应的Master SPI端口，详细如下图

注意事项

若配置不成功请检查以下项目是否正确：

管脚是否配置为SSPI模式，即{CFG2,CFG1,CFG0} = 001；CFG管脚在FPGA中为弱上拉（在INITN下降沿和上升沿会采样，其它时间可以随意改变）
SSPI在时钟上升沿从SI输入数据，下降沿从SO读出数据；输入数据和输出数据的顺序取决于命令或数据，命令MSB在前，数据（包括读和写数据）LSB在前
SSPI模式时钟(CCLK,rising edge输入)：加密20MHz；非加密33MHz（SSPI支持加密文件烧写，但不支持加密KEY烧写，加密KEY烧写必须使用JTAG方式）
输入bitstream文件时要一直保持CSN为低电平直到整个文件被输入；中间若要暂停可以用HOLDN为低或使CCLK为低来实现暂停(烧写加密文件时不能用，加密文件的烧写都不能暂停，其它配置方法的其它暂停方式也不能用)
检查配置后PROGRAMN，INITN，DONE是否被外部拉低，从而导致配置一直无法完成

其它说明

一些软件选项说明

以下为Diamond中Spreadsheet View->Global Preferences窗口中一些配置的说明

MCLK_FREQ：指定SPI或SPIm模式的MCLK时钟，默认2.5MHz，加密配置最大15MHz，非加密配置最大33MHz
CONFIG_SECURE：其值设置为ON后FPGA的配置数据无法被读出，即只能擦除或写入
PERSISTENT：其配置决定布局布线工具怎么使用多用配置管脚(可用于配置管脚或普通管脚)
CONFIG_MODE：用于告诉软件将用什么配置方法，软件会检查设计中配置管脚的使用正确性，出错则给出警告
DONE_EX：设置为ON时才能通过外部拉低DONE来延迟进入用户模式的时间
UserCode：设置32位用户码，可以用READ_USERCODE命令读出，可以用于存储一些与此Bitstream文件相关的自定义信息

参考文档

LatticeECP3sysCONFIGUsageGuide.pdf ↩
LatticeECP3sysCONFIGUsageGuide.pdf ↩
LatticeECP3EAFamilyDataSheet.pdf ↩