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用PowerPC860實(shí)現(xiàn)FPGA配置
摘要：介紹如何用PowerPC860（MPC860）進(jìn)行FPGA（Xilinx的Virtex-II系列）的配置；給出進(jìn)行FPGA配置所需的詳細(xì)時(shí)序圖和原理圖。本配置基本原理對(duì)其它FPGA的配置也適用。關(guān)鍵詞：PowerPC860FPGAXilinx
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(chǔ)控制器，其存儲(chǔ)控制器的功能很強(qiáng)，可以支持各種存儲(chǔ)器，包括各種新型的DRAM和Flash，并可以實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)器的無(wú)縫接口；而且使用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks和開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado開(kāi)發(fā)非常方便。
本設(shè)計(jì)中用1片IntelW28F1283A150Flash作為BootFlash對(duì)MPC860進(jìn)行加電配置，其多余的存儲(chǔ)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(dòng)后，由MPC860處理機(jī)與EPLD配合，控制FPGA配置文件的下載過(guò)程，完成對(duì)FPGA的配置。使用MPC860可以對(duì)FPGA十分方便地進(jìn)行配置，甚至可以通過(guò)MPC860的網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)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(duì)Xilinx公司的VirtexII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）。
2XilinxFPGA的配置方式
本設(shè)計(jì)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（masterserial）、從串模式（slaveserial）、主并模式（masterselectMAP）、從并模式（slaveselectMAP）、JTAG械。其中，JTAG模式在開(kāi)發(fā)調(diào)試階段使用。本設(shè)計(jì)將JTAG口直接做在信號(hào)處理板上，便于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)鐘（CCLK）由FPGA提供；從模式的下載同步時(shí)鐘（CCLK）由外部時(shí)鐘源或者外部控制信號(hào)提供。主模式對(duì)下載時(shí)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(guò)程的角度，選擇使用從串模式或從并模式。本設(shè)計(jì)采用從串模式進(jìn)行FPGA配置，以減少占用MPC860的資源。
用MPC860對(duì)FPGA進(jìn)行配置，實(shí)質(zhì)上就是用MPC860和EPLD來(lái)仿真JTAG接口的下載時(shí)序，完成對(duì)FPGA的下載。JTAG的有效引腳只有5個(gè)，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(shí)不否出現(xiàn)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，Conf_Done用于表示下載完成，而DC1k的Data則是用于在下載時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位的。每一個(gè)CD1k時(shí)鐘周期寫入1個(gè)bit數(shù)據(jù)（括號(hào)中標(biāo)注為Xilinx的FPGA對(duì)該功能的稱呼）。
表1所列為下載信號(hào)定義。
表1下載信號(hào)定義
引腳方向（對(duì)FPGA）說(shuō)明Data0輸入數(shù)據(jù)引腳DClk輸入同步時(shí)鐘，由外部時(shí)鐘源或控制信號(hào)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(hào)和下載時(shí)序
（1）啟動(dòng)下載時(shí)序
在nConfig引腳上產(chǎn)生1個(gè)超過(guò)2μs的低脈沖，等待nStatus回應(yīng)1個(gè)低脈沖以及Conf_Done。變低。這時(shí)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(kāi)始下載了。
（2）下載時(shí)序
從串下載模式的下載時(shí)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(shí)在DC1k上產(chǎn)生時(shí)鐘。數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的上升沿之間50ns有效，時(shí)鐘高電平和低電平的時(shí)鐘都不能小于80ns。這一過(guò)程一直持續(xù)到全部數(shù)據(jù)下載完成。在下載過(guò)程中可以出現(xiàn)相對(duì)較少時(shí)間的等待狀態(tài)，而不會(huì)中斷下載進(jìn)程。如果發(fā)生錯(cuò)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(shí)鐘，時(shí)鐘要至少等到Conf_Done變高為止。
（4）啟動(dòng)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(hào)連接示意如圖2所示。
4MPC860下載模式的軟件（狀態(tài)機(jī)）設(shè)計(jì)
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(lái)完成的。MPC860通過(guò)寫入Sc_Dnld_Req（1..0）來(lái)控制狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)，通過(guò)判斷EPLD中寄存器Sc_Dnld_Con(3..0)的內(nèi)容來(lái)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(1downto0)使MPC860通過(guò)這個(gè)寄存器向EPLD發(fā)出指令，控制下載過(guò)程：
10——通知EPLD作好向FPGA發(fā)nconfig的準(zhǔn)備工作；
11——通知EPLD開(kāi)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(kāi)始向FPGA逐位下載1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
如果下載過(guò)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(gè)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（7downto0））。
Sd_Data_Byte（7downto0））是下載數(shù)據(jù)緩存。
Sc_Dnld_Con(3downto0)是4bit的只讀寄存器。860通過(guò)查詢這個(gè)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(shí)表示不可以發(fā)送新數(shù)據(jù)到EPLD，為1時(shí)允許發(fā)送數(shù)據(jù)；
②Sc_Dnld_Con(2)——為0時(shí)表示工作正常，為1時(shí)表示下載過(guò)程中斷；
③Sc_Dnld_Con(1)——目標(biāo)FPGA返回的nstatus信號(hào)；
④Sc_Dnld_Con(0)——目標(biāo)FPGA返回的conf_done信號(hào)。
結(jié)束語(yǔ)
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(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，已成功地用于所開(kāi)發(fā)的數(shù)字通信信號(hào)處理板上，效果良好。
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