TMS320C61416 EMIF總線下雙FPGA加載設計

　　基于SRAM結構的FPGA容量大，可重復操作，應用相當廣泛;但其結構類似于SRAM，掉電后數據丟失，因此每次上電時都需重新加載。目前實現加載的方法通常有兩種：一種是用專用Cable通過JTAG口進行數據加載，另一種是外掛與該FPGA廠商配套的PROM芯片。前者需要在PC機上運行專用的加載軟件，直接下載到FPGA片內，所以掉電數據仍然會丟失，只適用于FPGA調試階段而不能應用于工業現場的數據加載。后者雖然可以解決數據丟失問題，但這種專用芯片成本較高，供貨周期也較長(一般大于2個月)，使FPGA產品的開發時間受到很大約束。因此希望找到一種更簡便實用的FPGA芯片數據加載方法。根據FPGA芯片加載時序分析，本文提出了采用通過市面上常見的Flash ROM芯片替代專用PROM的方式，通過DSP的外部高速總線進行FPGA加載;既節約了系統成本，也能達到FPGA上電迅速加載的目的;特別適用于在FPGA調試后期，待固化程序的階段。下面以兩片Xilinx公司Virtex-4系列XC4VLX60芯片為例，詳細介紹采用TI公司的TMS320C61416 DSP控制FPGA芯片數據加載的軟硬件設計。

　　1 Xilinx FPGA配置原理

　　Virtex-4系列的FPGA芯片外部配置引腳MODE PIN(M0、M1、M2)，有5種配置模式，如表1所列。

　　FPGA在Slave SelectMAP方式下，共用了表2所列的15個配置引腳。

　　1.1 配置流程

　　FPGA加載時序如圖1所示。各配置信號必須滿足其時序關系，否則配置工作無法正常完成。

　　圖1中，Slave SelelctMAP加載主要包括以下3個步驟：

　　①啟動和初始化。FPGA上電正常后，通過PROG_B引腳低脈沖進行FPGA異步復位，使得FPGA內部邏輯清零。其次PROG_B上拉高，停止外部復位，INIT_B引腳會在TPOR時間段內自動產生一個由低到高的跳變，指示FPGA內部初始化完成，可以進行數據下載;同時FPGA在INIT_B的上升沿采樣其模式引腳MODE PIN，決定其模式配置。

　　②比特流加載。INIT_B信號變高后，不需要額外的等待時間，Virtex器件就可以立即開始數據的配置。比特流數據在外部CCLK信號上升沿按字節方式置入。該過程包括同步初始化字、器件ID號校驗、加載配置數據幀、CRC校驗4個部分。

　　③STARTUP啟動。在成功校驗CRC碼位后，比特流命令使得FPGA進入STARTUP狀態。它是由8相狀態機實現的。中間包括等待DCM鎖相、DCI匹配等幾個狀態，最后FPGA釋放外部DONE引腳，對外輸出高阻態，由外部上拉高，指示FPGA加載成功。

　　1.2 文件生成

　　ISE生成數據文件主要有3種：BIT文件，由二進制格式進行表征邏輯設計，包括文件頭和配置數據，主要用于JTAG下載電纜模式;MCS文件，為外部PROM燒寫生成的下載文件，ASCII碼，與前者不同的是它含有在PROM中的數據地址和校驗值;BIN文件格式，由二進制表示，完全由配置數據組成，不需要作其他的提取和進制轉換，只是配置前的Byte-Swapped是在CPLD中實現的。本設計采用的是BIN文件格式。

　　2 硬件實現

　　系統采用2片Xilinx Virtex-4系列的600萬門的FPGA XC4VLX60。主MCU是TI公司高性能定點處理器TMS320C6416，對外有2個EMIF總線接口，分別是64位寬EMIFA和16位寬EMIFB。EMIFB上掛有8位8MB的Flash和16位CPLD：Flash做2片FPGA的BIN文件保存，之前由仿真器燒寫;CPLD用于2片FPGA地址譯碼和DSP與FPGA配置部分的邏輯接口。整個數據流程是在DSP上電啟動后，Bootloader自行引導用戶程序運行。該程序負責由EMIFB總線搬移Flash空間中BIN文件，通過CPLD分別對2片FPGA進行配置加載。硬件系統拓撲圖如圖2所示。

　　3 軟件設計

　　軟件包括3部分：引導Bootloader代碼，加載FPGA用戶程序以及接口部分的CPLD Verilog代碼。

　　3.1 DSP Bootloader

　　本系統中目標板處于FPGA調試后期，需要固化其加載程序。整板上電后，要求脫離仿真器自行加載FPGA，因此這里采用DSP的EMIF BooT方式。它是由DSP上電復位后，以默認ROM時序通過EDMA自行搬移BCE1的ROM空間前1 KB內容到片內，在其0x0地址開始運行。

　　一般由C編寫的程序代碼長度都遠大于1 KB，如果只是純粹由DSP搬移Flash前1 KB空間，這樣便會丟失數據，程序無法正常運行。這里采用由匯編語言寫的一個兩次搬移的Bootloader程序，來引導較大的用戶程序。使用匯編語言是因為其代碼效率高，代碼長度短(本系統中只有256字節)。兩次搬移是因為第一次DSP自行搬移后的Bootloader會占用片內的0x0地址前1 KB空間，與下一步的用戶程序0x0地址拷貝沖突(中斷向量表必須放在0x0地址，否則會丟失中斷跳轉的絕對地址)，且運行中的Bootloader不能覆蓋自身。所以把拷貝用戶程序的那部分代碼放在片內較底端運行，騰出了用戶空間的0x0地址。最后整體拷貝結束后，Bootloader再跳轉到用戶程序入口地址c_int00運行。

　　3.2 用戶程序和CPLD程序

　　本系統中2片FPGA加載的原理一樣。為避免繁瑣，這里以1片FPGA_A為例來作介紹。

　　CPLD在系統中負責2項工作。

　　①映射DSP端Flash分頁寄存器：控制Flash的高3位地址線，分8頁，每頁1 MB空間。

　　②映射DSP端2片FPGA的加載寄存器：

　　a.配置寄存器FpgaA(B)_config_Reg[8：O]。負責配置數據和時鐘，高8位為Byte-Swapped前的數據位，輸出到配置引腳時進行字節交換，最低位為CCLK位。

　　b.控制寄存器FpgaA(B)_Prog_Reg[2：O]。負責外部控制引腳，分別為CS_B、RDWR_B和PROG_B。

　　c.狀態寄存器FpgaA(B)_State_Reg[2：0]。負責回讀配置中的握手信號，分別為BUSY、DONE和INIT_B。

　　由Bootloader引導的用戶程序由C語言開發，在CCS下調試通過。它主要實現Flash翻頁，把之前燒寫在Flash中的BIN文件，通過上述CPLD中3個加載寄存器對FPGA進行上電配置。具體流程如圖3所示。

　　當前FPGA配置時鐘CCLK是在用戶程序中通過DSP寫命令產生的，即寫FpgaA(B)_Config_Reg的CCLK位高低電平;同時8位配置數據也連續寫2次，由CPLD鎖存到FPGA總線上，便能充分保證圖1中該有效數據在CCLK上升沿上被鎖。

　　以下是CPLD中動態加載部分的Verilog代碼：

　　//FPGA控制寄存器(DSP只寫)

　　結 語

　　該系統已成功用于某公司一款軟件無線電平臺中，通過反復軟硬件調試，現已投放市場。此外，由于該系統中的DSP芯片TMS320C6416自帶PCI橋，因此該平臺設計有與主機通信的CPCI接口，支持32位的PCI總線帶寬，最大數據吞吐率能達到133 MB/s。所以，此平臺不僅可以實現上述提到的上電Flash自行加載FPGA的目的，還可在其配置完以后通過主機端對FPGA實現動態加載，充分滿足了軟件無線電中可重構化、實時靈活的指導思想。