XILINX偶然加载不成功的问题原因及解决方法

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一、项目背景

明德扬(MDY)在2021年承担了多个基于XILINX芯片的研发项目，包括VPX网络透明传输项目(芯片为XC7K325T-2FBG900)、某高端测试仪项目(芯片为XCKU060-FFVA1156)、某网闸设备项目(芯片为XC7Z030-FBG676)等，另外，明德扬自研了基于XC7K325T-2FBG900和基于XC7K410T-2FBG900芯片的核心板，在XILINX研发领域拥有丰富的经验。即使拥有丰富经验和积累，每个新项目我们均要投入相当大的精力去研发。例如本文章分享的案例，在一个研发设备的压力测试中，每隔3分钟对设备进行断电复位重启，部分设备会出现低于1%概率的FPGA加载不成功，重启300多次，会存丰1~3次的加载失败。

为定位此问题，花费了一个多月，先后投入多位专家，最终确定问题的根源是“上电的时序问题”，特为此给大家分享。

二、XILINX的上电启动流程

FPGA上电启动包含三大流程，分别是Setup，Bitstream Loading和Startup Sequence。本次故障的现象是FLASH有概率无法加载，因此定位出现问题的流程是Setup。

在第一阶段的流程中，FPGA首先要上电，其中VCCINT、VCCBRAM、VCCAUX、VCCIO要以由低到高的顺序依次上电。当芯片上电后，电压达到VCCO后在10~50ms内，init_b会拉高，初始化完成，FPGA开始加载配置工作。

但是FPGA上电第一次加载时，与PROGRAM_B信号没有关系，只需要达到init_b的延迟时间，当init_b拉高，FPGA就会加载配置。

三、问题原因：

FPGA上电时序图如图1所示，时序要求如表1所示。上电后init_b会延迟10~50ms后拉高，然后CCLK开始输出，加载外部FLASH。通过示波器实测Tpor大约是20ms左右。而且经过反复测量发现，Tpor的延时是相对于VCCINT电压启动后的。

图1：FPGA上电启动时序

表1：FPGA上电时序要求

因此，如果FPGA的链路启动时间过长，整个链路启动时间超过50ms的时候，init_b信号的上升沿就会正好卡在3.3V电压启动的过程中，如图2所示。此时FPGA认为已经可以进行加载流程，因此发送CCLK给外部FLASH。但是当前3.3V电压仅爬升到1.9V，还不足以启动FLASH芯片，因此FLASH芯片不会响应，FPGA在得不到FLASH回应后，init_b信号再次拉低，表示FLASH加载过程出现异常。导致连上仿真器发现FLASH没有加载成功。

图2：故障情况下的上电时序（黄线：3.3V 蓝线：init_b）

四、解决方案

1、减少电源链路启动的时间，将时间控制在50ms以内，同时寻找导通时间更短的MOS管，让3.3V电压爬升的时间缩短至1ms左右。

2、由于故障的根本原因在于FPGA开始加载FLASH时，3.3V点没有达到FLASH的工作电压，因此可以尝试更换一片宽压FLASH芯片，看看问题能否解决。

3、前面两种方案是基于不改版的情况下。如果后期可以改版，还是建议使用PCIE上来的12V电源，来提供整板的供电。所有电压都通过电源芯片进行转换。然后将3.3V电源芯片的PGOOD引脚连接至init_b上。这种方式是人为延迟了init_b跳变的时间，也就是说可以确保3.3V电压稳定之后，再去加载FLASH，这样就可以确保不会出现该故障。而且即使3.3V爬升速率很满，也可以在3.3V电源达到足够大的值之后再加载FLASH。图3就是在类似的板子上做了这样的试验，即使3.3V的上升时间达到了20ms，在init_b跳变的时刻，3.3V电源也已经达到了3.0V的输出，完全可以保证FLASH芯片正常工作。

图3：故障修复后的上电时序（黄线：3.3V 蓝线：init_b）

！！！本问题出现在XC7Z030-FBG676芯片，理论上大部分的XILINX型号均会存在此问题，出现此现象时可以参考。

明德扬(MDY)除了承接项目外，还可为客户提供FPGA芯片、电源芯片、AD芯片等元器件，可找我们了解。

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