一種FPGA中PowerPC最小系統故障分析及改進

曹孟剛

摘要：FPGA具有豐富的可編程I/O引腳、邏輯宏單元、門電路以及RAM空間，在嵌入式領域的廣泛應用。本文以FPGA使用中一種設計缺陷進行分析并進行了改進。

關鍵詞：FPGA;PowerPC最小系統;故障分析及改進

0引言

本PowerPC最小系統故障為通訊模塊中偶發故障。通訊模塊由FPGA電路與協議芯片電路組成，處理GJB289A總線數據時，應用端數據通過PCI總線送到FPGA內部的雙端口RAM緩沖區，FPGA內部的PowerPC405將數據從雙口RAM中搬移至GJB289A總線協議芯片中，再通過GJB289A總線協議芯片轉換成GJB289A總線格式的數據在總線上傳輸;CIM模塊從GJB289A總線接收到的數據也通過PowerPC405搬移至雙口，應用端通過雙口獲取到數據;處理429總線數據時，應用端數據通過PCI總線送到FPGA內部的雙端口RAM緩沖區，FPGA內部的PowerPC405將數據從雙口RAM中搬移至429總線協議芯片中，再通過429協議芯片轉換成429格式的數據在總線上傳輸;CIM模塊從429總線接收到的數據也通過PowerPC405搬移至雙口，應用端通過雙口獲取到數據。在FPGA內部，包含兩個PowerPC405硬核，分別處理GIB289A總線的數據和429總線的數據。通訊模塊的設計原理框圖如圖1所示。

PowerPC最小系統由PowerPC405、PLB總線以及掛接在PLB總線上的RAM組成，其中，PowerPC405是運行總線數據處理軟件的處理器，PLB總線是處理器本地總線，RAM是PowerPC405中軟件的程序區、數據區及堆棧區的存儲空間。

應用端周期通過PCI總線訪問通訊模塊上BRAM1上的數據較短，當訪問周期較低時，PowerPC1偶發軟件運行異常。

一、故障機理分析

在通訊模塊的設計中，PPC405_1在運行時，通過PLB總線1訪問RAM1，進行取程序指令操作、讀寫程序數據、進棧出棧操作，同時在程序運行時，通過PLB總線1對1553協議芯片通信模塊進行讀寫訪問，通過PLB2OPB橋訪問掛接在OPB總線1上的BRAM1、中斷控制器IP核、timebase核。PPC405_2在運行時，通過PLB總線2訪問RAM2，進行取程序指令操作、讀寫程序數據、進棧出棧操作，同時在程序運行時，通過PLB2OPB橋訪問掛接在OPB總線1上的BRAM2，通過PLB2OPB橋訪問掛接在OPB總線2上的429通信模塊。

基于上述設計，在進行GJB289A總線通信發送數據時，CPU通過PCI官方IP核，訪問OPB總線1上掛接的BRAM1，將數據寫入BRAM1中。1553軟件通過PLB2OPB橋訪問掛接在OPB總線1上的BRAM1將數據從BRAM1中搬移至掛接在PLB總線1上的1553協議芯片通信模塊中。之后等待總線上來自總線控制器的消息命令，GJB289A總線協議芯片收到消息命令后，將已寫入的數據發送至總線上，之后發送消息結束中斷給FPGA，消息結束中斷通過中斷控制器核送給PPC405_1，PPC405_1中的軟件進入中斷服務程序執行，在中斷服務程序中，首先通過PLB2OPB橋訪問掛接在OPB總線1上的中斷控制器核，讀取中斷狀態等寄存器，然后進入用戶的中斷服務程序執行，在用戶的中斷服務程序中，存在對1553協議芯片通信模塊和BRAM1的訪問。

在上述程序運行及通信過程中，存在對PLB總線的頻繁訪問，導致PLB總線占用率過高，導致PPC405_1中的程序運行錯誤，出棧異常，導致PPC405_1訪問非法地址，該非法地址通過PLB2OPB橋傳到OPB總線上，導致OPB總線出現timeout現象，進而導致CPU通過PCI訪問BRAM1和BRAM2異常。程序運行錯誤導致程序進入0x0700異常處理中斷無法跳出，進而導致故障。

進一步分析OPB總線上出現訪問非法地址的原因，監控PPC405內部的軟件工作狀態，通過軟件debug的方式進行監控跟蹤，發現出現故障時，程序運行出棧異常，堆棧溢出，程序訪問了非法空間，該非法空間通過PLB2OPB橋傳到OPB總線上，導致OPB總線上出現timeout信號。進一步通過debug的方式監控PPC405的行為，發現出現異常后，軟件進入0x0700異常處理中斷執行，且無法跳出。針對該現象，修改xilinx庫文件中的源文件，修改0x0700異常處理中斷程序，在該異常中斷中，讀取PLB和PLB2OPB橋的DCR寄存器，DCR寄存器中的值顯示，在出現故障后，PPC405處理異常，存在對非法空間的訪問，導致出現timeout信號。

更改軟件，將0x0700異常處理中斷掛接在用戶的中斷服務程序中，在用戶的中斷服務程序中增加GPIO輸出，通過示波器測量PPC405的中斷信號，發現在出現故障時，軟件在用戶掛接的中斷服務程序中，進入一次700異常中斷，之后中斷服務程序正常結束，但是在下一次中斷進入之前，PPC405反復進入700異常中斷。導致軟件運行無法恢復正常。

由于PowerPC405中的軟件運行時，需要通過PLB總線訪問RAM讀取程序指令，讀寫程序運行的數據，并進行壓棧出棧等操作。因此針對PLB總線進行分析，通過查看PLB總線數據手冊可知，PLB總線不支持高總線占用率，詳見圖2。

二、優化設計

在FPGA邏輯中將原來PLB總線上掛接的供PPC405軟件運行指令和數據的RAM去掉。啟用OCM，將PPC405中軟件的指令分配至isocm中運行，將數據分配至dsocm中運行。