FPGA設計筆記：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不同的bank，Xilinx一些高端的FPGA器件由22個甚至更多個bank組成，這樣設計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，就需要在對應bank的供電引腳輸入對應的電源電壓，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存儲器，掉電內(nèi)容不會丟失，按接口可以分為兩大類：并行Flash和串行Flash，并行Flash存儲量大，速度快;而串行Flash存儲量相對較小，但體積小，連線簡單，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，同步動態(tài)隨機存儲器)也是FPGA設計中經(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，所有程序的運行都在內(nèi)存中進行，速度快。

Xilinx Spartan-7 FPGA器件適用于那些成本敏感型應用。它采用小型封裝卻擁有高比例的I/O數(shù)量，單位功耗性價比相較前代產(chǎn)品提升多達四倍，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I/O管腳，劃分為兩個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

雖然這不是一個標準的解決方案，只是限于有限的I/O資源，但是對于小型系統(tǒng)設計不失為一種好的方法。具體設計細節(jié)如器件選型、原理圖、確定時鐘頻率等要求請參看官方文檔XAPP1313。