用PowerPC860實(shí)現(xiàn)FPGA配置
關(guān)鍵詞：PowerPC860 FPGA Xilinx
1 概述
MPC860是基于PowerPC結(jié)構(gòu)的通信控制器。它不僅是集成的微處理器，而且將很多外設(shè)的功能也集成在一起。MPC860具有存儲控制器，其存儲控制器的功能很強(qiáng)，可以支持各種存儲器，包括各種新型的DRAM和Flash，并可以實(shí)現(xiàn)與存儲器的無縫接口；而且使用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks和開發(fā)環(huán)境Tornado開發(fā)非常方便。
本設(shè)計中用1片Intel W28F1283A150 Flash作為BootFlash對MPC860進(jìn)行加電配置，其多余的存儲空間完全可以存放下FPGA所需的配置文件。加電復(fù)位、系統(tǒng)啟動后，由MPC860處理機(jī)與EPLD配合，控制FPGA配置文件的下載過程，完成對FPGA的配置。使用MPC860可以對FPGA十分方便地進(jìn)行配置，甚至可以通過MPC860的網(wǎng)絡(luò)功能對FPGA進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，節(jié)省了因采用專用配置芯片所耗費(fèi)的電路板及其成本。本文主要介紹如何用MPC860對Xilinx公司的Virtex II系列的FPGA進(jìn)行配置，其原理同樣適用于別的FPGA芯片（包括Altera公司）。
2 Xilinx FPGA的配置方式
本設(shè)計中FPGA采用Xilinx公司Virtex-II系列蝗XC2V4000，其配置文件的下載模式有5種：主串模式（master serial）、從串模式（slave serial）、主并模式（master selectMAP）、從并模式（slave selectMAP）、JTAG械。其中，JTAG模式在開發(fā)調(diào)試階段使用。本設(shè)計將JTAG口直接做在信號處理板上，便于開發(fā)設(shè)計階段的調(diào)試。
參考Xilinx公司的有關(guān)文檔，比較其余4種下載模式，可將其分為串行下載方式和并行下載方式。串行下載方式和并行下載方式都有主、從2種模式。主、從模式的最大區(qū)別在于：主模式的下載同步時鐘（CCLK）由FPGA提供；從模式的下載同步時鐘（CCLK）由外部時鐘源或者外部控制信號提供。主模式對下載時序的要求比從模式嚴(yán)格得多。因此從處理機(jī)易于控制下載過程的角度，選擇使用從串模式或從并模式。本設(shè)計采用從串模式進(jìn)行FPGA配置，以減少占用MPC860的資源。
用MPC860對FPGA進(jìn)行配置，實(shí)質(zhì)上就是用MPC860和EPLD來仿真JTAG接口的下載時序，完成對FPGA的下載。JTAG的有效引腳只有5個，分別是nConfig（PROG_B）、nStatus（INIT_B）、Conf_Done（DONE）、DClk(CCLK)、Data0(DIN)。其中nConfig用于使FPGA進(jìn)行到下載狀態(tài)，nStatus時不否出現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯誤，Conf_Done用于表示下載完成，而DC1k的Data則是用于在下載時產(chǎn)生時鐘和數(shù)據(jù)位的。每一個CD1k時鐘周期寫入1個bit數(shù)據(jù)（括號中標(biāo)注為Xilinx的FPGA對該功能的稱呼）。
表1所列為下載信號定義。
表1 下載信號定義
| 引 腳 | 方向（對FPGA） | 說 明 |
| Data0 | 輸入 | 數(shù)據(jù)引腳 |
| DClk | 輸入 | 同步時鐘，由外部時鐘源或控制信號提供 |
| NConfig | 輸入 | 異步復(fù)位引腳，用于異步復(fù)位配置邏輯 |
| Conf_Done | 輸出 | 配置狀態(tài) |
| nStatus | 輸出 | 下載狀態(tài) |
3 從串模式的配置信號和下載時序
（1）啟動下載時序
在nConfig引腳上產(chǎn)生1個超過2μs的低脈沖，等待nStatus回應(yīng)1個低脈沖以及Conf_Done。變低。這時候表明FPGA已經(jīng)進(jìn)入到了下載狀態(tài)，等待至少5μs以后就可以開始下載了。
（2）下載時序
從串下載模式的下載時序如圖1的所示。
在Data0上逐位地產(chǎn)生要下載的數(shù)據(jù)，同時在DC1k上產(chǎn)生時鐘。數(shù)據(jù)必須在時鐘的上升沿之間50ns有效，時鐘高電平和低電平的時鐘都不能小于80ns。這一過程一直持續(xù)到全部數(shù)據(jù)下載完成。在下載過程中可以出現(xiàn)相對較少時間的等待狀態(tài)，而不會中斷下載進(jìn)程。如果發(fā)生錯誤，nStatus將被拉低，F(xiàn)PGA退出操作，必須重算1～3步驟。
（3）結(jié)束下載
在數(shù)據(jù)都下載完成以后，需要繼續(xù)給FPGA提供若干的時鐘，時鐘要至少等到Conf_Done變高為止。
（4）啟動器件
Conf_Done被釋放，被外部拉高。
MPC860處理機(jī)控制從串下載模式的信號連接示意如圖2所示。
4 MPC860下載模式的軟件（狀態(tài)機(jī)）設(shè)計
MPC860下載模式的狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)是由PCM860處理器和EPLD協(xié)同來完成的。MPC860通過寫入Sc_Dnld_Req（1..0）來控制狀態(tài)機(jī)的下一個狀態(tài)，通過判斷EPLD中寄存器Sc_Dnld_Con(3..0)的內(nèi)容來決定流程的跳轉(zhuǎn)。
圖3中狀態(tài)req=“x”代表向EPLD的寄存器Sc_Dnld_Req寫入數(shù)據(jù)“xx”。
其中，Sc_Dnld_Req(1 downto 0)使MPC860通過這個寄存器向EPLD發(fā)出指令，控制下載過程：
10——通知EPLD作好向FPGA發(fā)nconfig的準(zhǔn)備工作；
11——通知EPLD開始向FPGA發(fā)出nconfig命令；
00——通知EPLD作好向FPGA下載數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作；
01——通知EPLD開始向FPGA逐位下載1個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
如果下載過程順序的話，第1、第2步只需在每次下載數(shù)據(jù)前進(jìn)行1次，第3、第4步是每下載1個字節(jié)數(shù)據(jù)都要進(jìn)行的步驟（每次寫入下載數(shù)據(jù)的操作在第3步之前進(jìn)行，且新數(shù)據(jù)要寫入專門的寄存器Sd_Data_Byte（7 downto 0））。
Sd_Data_Byte（7 downto 0））是下載數(shù)據(jù)緩存。
Sc_Dnld_Con(3 downto 0)是4bit的只讀寄存器。860通過查詢這個寄存器的內(nèi)容判斷目標(biāo)FPGA的當(dāng)前下載狀態(tài)，以決定應(yīng)該發(fā)出什么樣的指令。其各位代表的意義如下所述：
①Sc_Dnld_Con(3) ——為0時表示不可以發(fā)送新數(shù)據(jù)到EPLD，為1時允許發(fā)送數(shù)據(jù)；
②Sc_Dnld_Con(2) ——為0時表示工作正常，為1時表示下載過程中斷；
③Sc_Dnld_Con(1) ——目標(biāo)FPGA返回的nstatus信號；
④Sc_Dnld_Con(0) ——目標(biāo)FPGA返回的conf_done信號。
結(jié)束語
MPC860有強(qiáng)大的資源，可以在外圍電路不復(fù)雜的情況下實(shí)現(xiàn)Xilinx公司的FPGA的配置程序下載。本設(shè)計經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，已成功地用于所開發(fā)的數(shù)字通信信號處理板上，效果良好。
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