用PowerPC860实现FPGA配置

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 摘要：介绍如何用PowerPC860（MPC860）进行FPGA（Xilinx的Virtex-II系列）的配置；给出进行FPGA配置所需的详细时序图和原理图。本配置基本原理对其它FPGA的配置也适用。

    关键词：PowerPC860 FPGA Xilinx

1 概述

MPC860是基于PowerPC结构的通信控制器。它不仅是集成的微处理器，而且将很多外设的功能也集成在一起。MPC860具有存储控制器，其存储控制器的功能很强，可以支持各种存储器，包括各种新型的DRAM和Flash，并可以实现与存储器的无缝接口；而且使用嵌入式操作系统VxWorks和开发环境Tornado开发非常方便。

本设计中用1片Intel W28F1283A150 Flash作为BootFlash对MPC860进行加电配置，其多余的存储空间完全可以存放下FPGA所需的配置文件。加电复位、系统启动后，由MPC860处理机与EPLD配合，控制FPGA配置文件的下载过程，完成对FPGA的配置。使用MPC860可以对FPGA十分方便地进行配置，甚至可以通过MPC860的网络功能对FPGA进行远程配置，节省了因采用专用配置芯片所耗费的电路板及其成本。本文主要介绍如何用MPC860对Xilinx公司的Virtex II系列的FPGA进行配置，其原理同样适用于别的FPGA芯片（包括Altera公司）。
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2 Xilinx FPGA的配置方式

本设计中FPGA采用Xilinx公司Virtex-II系列蝗XC2V4000，其配置文件的下载模式有5种：主串模式（master serial）、从串模式（slave serial）、主并模式（master selectMAP）、从并模式（slave selectMAP）、JTAG械。其中，JTAG模式在开发调试阶段使用。本设计将JTAG口直接做在信号处理板上，便于开发设计阶段的调试。

参考Xilinx公司的有关文档，比较其余4种下载模式，可将其分为串行下载方式和并行下载方式。串行下载方式和并行下载方式都有主、从2种模式。主、从模式的最大区别在于：主模式的下载同步时钟（CCLK）由FPGA提供；从模式的下载同步时钟（CCLK）由外部时钟源或者外部控制信号提供。主模式对下载时序的要求比从模式严格得多。因此从处理机易于控制下载过程的角度，选择使用从串模式或从并模式。本设计采用从串模式进行FPGA配置，以减少占用MPC860的资源。

用MPC860对FPGA进行配置，实质上就是用MPC860和EPLD来仿真JTAG接口的下载时序，完成对FPGA的下载。JTAG的有效引脚只有5个，分别是nConfig（PROG_B）、nStatus（INIT_B）、Conf_Done（DONE）、DClk(CCLK)、Data0(DIN)。其中nConfig用于使FPGA进行到下载状态，nStatus时不否出现CRC校验错误，Conf_Done用于表示下载完成，而DC1k的Data则是用于在下载时产生时钟和数据位的。每一个CD1k时钟周期写入1个bit数据（括号中标注为Xilinx的FPGA对该功能的称呼）。

表1所列为下载信号定义。

表1 下载信号定义

引  脚	方向（对FPGA）	说    明
Data0	输入	数据引脚
DClk	输入	同步时钟，由外部时钟源或控制信号提供
NConfig	输入	异步复位引脚，用于异步复位配置逻辑
Conf_Done	输出	配置状态
nStatus	输出	下载状态

3 从串模式的配置信号和下载时序

（1）启动下载时序

在nConfig引脚上产生1个超过2μs的低脉冲，等待nStatus回应1个低脉冲以及Conf_Done。变低。这时候表明FPGA已经进入到了下载状态，等待至少5μs以后就可以开始下载了。

（2）下载时序

从串下载模式的下载时序如图1的所示。

在Data0上逐位地产生要下载的数据，同时在DC1k上产生时钟。数据必须在时钟的上升沿之间50ns有效，时钟高电平和低电平的时钟都不能小于80ns。这一过程一直持续到全部数据下载完成。在下载过程中可以出现相对较少时间的等待状态，而不会中断下载进程。如果发生错误，nStatus将被拉低，FPGA退出操作，必须重算1～3步骤。

（3）结束下载

在数据都下载完成以后，需要继续给FPGA提供若干的时钟，时钟要至少等到Conf_Done变高为止。

（4）启动器件

Conf_Done被释放，被外部拉高。

MPC860处理机控制从串下载模式的信号连接示意如图2所示。
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4 MPC860下载模式的软件（状态机）设计

MPC860下载模式的状态机的实现是由PCM860处理器和EPLD协同来完成的。MPC860通过写入Sc_Dnld_Req（1..0）来控制状态机的下一个状态，通过判断EPLD中寄存器Sc_Dnld_Con(3..0)的内容来决定流程的跳转。

图3中状态req=“x”代表向EPLD的寄存器Sc_Dnld_Req写入数据“xx”。

其中，Sc_Dnld_Req(1 downto 0)使MPC860通过这个寄存器向EPLD发出指令，控制下载过程：

10——通知EPLD作好向FPGA发nconfig的准备工作；

11——通知EPLD开始向FPGA发出nconfig命令；

00——通知EPLD作好向FPGA下载数据的准备工作；

01——通知EPLD开始向FPGA逐位下载1个字节的数据。

如果下载过程顺序的话，第1、第2步只需在每次下载数据前进行1次，第3、第4步是每下载1个字节数据都要进行的步骤（每次写入下载数据的操作在第3步之前进行，且新数据要写入专门的寄存器Sd_Data_Byte（7 downto 0））。

Sd_Data_Byte（7 downto 0））是下载数据缓存。
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    Sc_Dnld_Con(3 downto 0)是4bit的只读寄存器。860通过查询这个寄存器的内容判断目标FPGA的当前下载状态，以决定应该发出什么样的指令。其各位代表的意义如下所述：

①Sc_Dnld_Con(3) ——为0时表示不可以发送新数据到EPLD，为1时允许发送数据；

②Sc_Dnld_Con(2) ——为0时表示工作正常，为1时表示下载过程中断；

③Sc_Dnld_Con(1) ——目标FPGA返回的nstatus信号；

④Sc_Dnld_Con(0) ——目标FPGA返回的conf_done信号。

结束语

MPC860有强大的资源，可以在外围电路不复杂的情况下实现Xilinx公司的FPGA的配置程序下载。本设计经过实际调试，已成功地用于所开发的数字通信信号处理板上，效果良好。