FPGA设计笔记：QSPI Flash与DDR3L SDRAM采用同一I/O分区

众所周知FPGA的硬件资源被划分为若干个不同的bank，Xilinx一些高端的FPGA器件由22个甚至更多个bank组成，这样设计主要是为了提高灵活性。FPGA的I/O支持1.8V、2.5V和3.3V等多种电平输入输出，为了获得这些I/O电平，就需要在对应bank的供电引脚输入对应的电源电压，这样就节省了很多总线转换器。

Flash是一种具有电可擦除的可编程ROM存储器，掉电内容不会丢失，按接口可以分为两大类：并行Flash和串行Flash，并行Flash存储量大，速度快;而串行Flash存储量相对较小，但体积小，连线简单，可减小电路面积，节约成本。SPI Flash是内嵌SPI总线接口的串行Flash，它比起传统的并行总线接口Flash，节省了很多的I/O口资源。

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)也是FPGA设计中经常采用的内存器件，掉电后不能保存数据，功耗也比较大。因此Flash用于保存FPGA系统启动所需的配置文件，SDRAM则用于系统的数据的缓存，所有程序的运行都在内存中进行，速度快。

Xilinx Spartan-7 FPGA器件适用于那些成本敏感型应用。它采用小型封装却拥有高比例的I/O数量，单位功耗性价比相较前代产品提升多达四倍，可提供灵活的连接能力、接口桥接和辅助芯片等功能。

图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个I/O管脚，划分为两个bank，如果能够实现将QSPI Flash和DDR SDRAM都集成到同一bank那么就会充分利用有限的I/O资源。QSPI Flash的工作电压是1.8V，而DDR3L SDRAM的工作电压为1.35V，因此我们需要借助电压转换模块、MIG(Memory Interface Generator， 内存接口生成器)IP模块和Vivado工具的一些设置，专用I/O bank 0电压为1.8V，bank 14电压为1.35V，具体链接方式如下图所示：

图2：Spartan-7 FPGA同一bank连接1.8V SPI Flash和1.35V DDR3L

虽然这不是一个标准的解决方案，只是限于有限的I/O资源，但是对于小型系统设计不失为一种好的方法。具体设计细节如器件选型、原理图、确定时钟频率等要求请参看官方文档XAPP1313。