多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法

引言

　　多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在目前的很多電子系統(tǒng)應(yīng)用場合都可以看到。這種多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、功能配置的靈活性以及便于查找故障節(jié)點(diǎn)等良好的可維護(hù)性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通常，多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要硬件構(gòu)成有很大的相似性。特別是近年來， FPGA這個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)讓多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成擁有了更廣泛的通用性。尤其是隨著IP核技術(shù)的推廣，再加上一些功能強(qiáng)大的CPU核的出現(xiàn)，如Xilinx公司提供的PicoBlaze和MicroBlaze等，使得目前的許多系統(tǒng)的主要功能都可以由大容量的FPGA實(shí)現(xiàn)，而無需再使用比較昂貴的高性能微處理器。

　　對(duì)于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，這將大大降低系統(tǒng)成本。對(duì)于由大容量FPGA構(gòu)成的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的升級(jí)是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。此時(shí)，F(xiàn)PGA的遠(yuǎn)程升級(jí)能力就顯得尤為重要。對(duì)于包含ARM、DSP、PowerPC等高性能嵌入式微處理器的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，使用這些嵌入式微處理器，采用SELECTMAP對(duì)FPGA進(jìn)行加載并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)，無需增加過多的外部器件，是非常經(jīng)濟(jì)和高效的。但對(duì)于核心器件就是大容量FPGA的系統(tǒng)，如果由FPGA本身來接收升級(jí)數(shù)據(jù)并寫入存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器，一旦升級(jí)失敗，將無法再次升級(jí)，從而限制了它在許多需要高可靠性要求或者維護(hù)人員不便于到達(dá)的場合的應(yīng)用；而如果單純?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)而加入價(jià)格昂貴的嵌入式微處理器，又會(huì)較大地增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了利用ATmega64單片機(jī)和RS485總線，加上接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，解決了上述問題。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)主要由一臺(tái)接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)、半雙工RS485總線以及各個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)從外部獲取整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的升級(jí)數(shù)據(jù)，然后通過RS485總線向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送其對(duì)應(yīng)的升級(jí)數(shù)據(jù)，完成多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的升級(jí)。RS485總線采用一主多從的半雙工方式，主控計(jì)算機(jī)為總線的主控制器，只能由它向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信連接，其余子節(jié)點(diǎn)只能響應(yīng)主控計(jì)算機(jī)的控制命令。

　　圖1 多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.2 節(jié)點(diǎn)升級(jí)原理

　　各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過RS485總線與主控計(jì)算機(jī)相連，在無升級(jí)數(shù)據(jù)時(shí)，總線可以用來傳輸主控計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的查詢和控制命令。主控計(jì)算機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議可以采用具有查詢控制幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀3種幀類型的協(xié)議。只有主控計(jì)算機(jī)可以發(fā)送查詢控制幀，查詢或設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程升級(jí)狀態(tài)或工況信息。子節(jié)點(diǎn)接收主控計(jì)算機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答幀，并完成自身的升級(jí)。

　　2 子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖2所示，以一個(gè)由Xilinx公司的XC3S4000大容量FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)為例，遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要包括： ATmega64單片機(jī)，用于存儲(chǔ)大容量FPGA配置數(shù)據(jù)的Flash，以及接入RS485總線的半雙工總線收發(fā)器。ATmega64單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量FPGA XC3S4000的加載，以及從RS485總線接收FPGA的升級(jí)數(shù)據(jù)并寫入擁有2 MB存儲(chǔ)空間的Flash存儲(chǔ)器SST36VF1601C中。RS485TTL電平變換電路采用RS485收發(fā)器SP485R。

　　圖2 子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)說明

　　在子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，ATmega64單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)升級(jí)功能的關(guān)鍵。ATmega64是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，并且所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega64有如下特點(diǎn)：

　?、?64 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，2 KB的EEPROM，4 KB的SRAM，32個(gè)通用工作寄存器；

　?、?53個(gè)通用I/O口線；

　?、?實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)；

　?、?4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；

　?、?2個(gè)USART，面向字節(jié)的雙線串行接口（TWI），1個(gè)SPI 串行端口；

　?、?8路10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC；

　?、?與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容的，可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口。

　　ATmega64是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過ISP 串行接口（或者通用編程器）進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega64 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。

　　利用ATmega64單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量FPGA的遠(yuǎn)程升級(jí)，涉及的主要技術(shù)問題有三點(diǎn)： 一是如何將ATmega64單片機(jī)接入RS485總線；二是在接收到升級(jí)數(shù)據(jù)后和加載FPGA時(shí)，如何利用ATmega64單片機(jī)對(duì)大容量的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作；三是ATmega64單片機(jī)實(shí)現(xiàn)FPGA的SELECTMAP加載。

　　2.2.1 RS485接口電路設(shè)計(jì)

　　如表1所列， RS485總線標(biāo)準(zhǔn)具有控制方便、價(jià)格低廉以及高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)和寬共模范圍等優(yōu)點(diǎn)。在過去的20年時(shí)間里，建議性標(biāo)準(zhǔn)RS485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

　　表1 TIA/EIA485串行通信標(biāo)準(zhǔn)的性能

　　子節(jié)點(diǎn)的ATmega64單片機(jī)通過Sipex公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高性能RS485收發(fā)器接入RS485總線。

　　SP485R是一款與流行的標(biāo)準(zhǔn)RS485芯片完全兼容，而且包含更高的ESD保護(hù)和高接收器輸入阻抗等性能的RS485收發(fā)器。接收器輸入高阻抗可以使400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會(huì)引起RS485驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的衰減。該收發(fā)器的特點(diǎn)如下：

　　① 允許超過400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線上；

　?、?接收器輸入高阻抗（標(biāo)準(zhǔn)值RIN=150 kΩ）；

　?、?半雙工配置與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳一致；

　?、?共模輸入電壓范圍為-7～+12 V；

　?、?低功耗（250 mW）；

　?、?獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器和接收器使能引腳。

　　其典型應(yīng)用電路如圖3所示。

　　圖3 利用SP485R構(gòu)成的半雙工RS485電路

　　ATmega64單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行口通過RXD直接連接SP485R芯片的RO引腳，通過TXD直接連接SP485R芯片的DI引腳。由單片機(jī)輸出的R/D信號(hào)直接控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號(hào)為1，SP485R芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)單片機(jī)可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號(hào)為0，SP485R芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，單片機(jī)可以接收來自RS485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。上拉電阻R1、下拉電阻R2用于保證未連接總線時(shí)的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，以提高每個(gè)RS485節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。6.8 V的TVS管V1、V2、V3用來保護(hù)RS485總線，避免RS485總線受外界干擾時(shí)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。

　　2.2.2 ATmega64存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展

　　ATmega64的尋址空間為64 KB，利用ATmega64自身的尋址系統(tǒng)，只能訪問0x0000~0xFFFF的地址空間。顯然，這對(duì)于存儲(chǔ)和加載大容量FPGA的配置數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。以Xilinx公司的Spartan3系列FPGA為例，其配置數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間如表2所列。

　　表2 Spartan3系列FPGA配置文件大小

　　以XC3S4000型FPGA為例，它的配置文件所需的存儲(chǔ)空間約為1.35 MB，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了ATmega64單片機(jī)的尋址空間。因此，為了能夠利用ATmega64單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA配置數(shù)據(jù)的讀寫，必須對(duì)其尋址空間進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的硬件連接框圖如圖2中的單片機(jī)與Flash的連接部分所示。

　　本設(shè)計(jì)中是使用通用I/O來擴(kuò)展ATmega64單片機(jī)的尋址空間的。ATmega64單片機(jī)的總尋址空間為64 KB，但片內(nèi)4 KB的SRAM及各種寄存器占用了前面的部分尋址空間，故其片外存儲(chǔ)器尋址空間是0x1100~0xFFFF。因此將Flash的低15位地址直接接到ATmega64單片機(jī)的低15位地址總線上，其余6位高位地址用單片機(jī)的通用I/O進(jìn)行選擇。尋址時(shí)單片機(jī)的專用地址口只輸出0x8000～0xFFFF的地址數(shù)據(jù)，與通用I/O輸出的地址組合后給出Flash的讀寫地址。

　　通過以上對(duì)ATmega64單片機(jī)尋址空間的擴(kuò)展方法，可以實(shí)現(xiàn)ATmega64單片機(jī)對(duì)合適的Flash存儲(chǔ)器的尋址操作，從而解決了大容量FPGA配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取問題。

　　2.2.3 用ATmega64實(shí)現(xiàn)FPGA的SELECTMAP加載

　　Xilinx公司的Spartan3系列FPGA加載方式分為5種： Master Serial、Slave Serial、Master Parallel、Slave Parallel、JTAG。

　　按照FPGA是否控制加載過程，加載方式可分為Master方式和Slave方式；按照加載數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)位寬，可分為Serial方式和Parallel方式。用于加載的引腳主要有： PROG_B，CCLK，RDWR_B，DONE，INIT_B，CS_B，BUSY，D[0～7]，M[0～2]，HSWAP和JTAG接口（TDI、TMS、TCK、TDO）。加載過程大體分為3個(gè)步驟： 配置的建立、配置數(shù)據(jù)的加載和加載完成。

　　SELECTMAP即Slave Parallel方式，是由外部控制器控制FPGA的加載過程，并以8位數(shù)據(jù)的形式向FPGA寫入加載數(shù)據(jù)的加載方法。圖2中FPGA與ATmega64的連接部分為ATmega64單片機(jī)采用SELECTMAP方式對(duì)FPGA進(jìn)行加載的硬件連接框圖，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

　　ATmega64通過將FPGA的PROG_B、CS_B和RDWR_B引腳置低來開啟加載過程，F(xiàn)PGA在PROG_B置低后開始清除內(nèi)部配置RAM，并將INIT_B腳置低。PROG_B重新置1后，在INIT_B由低變高的上升沿，F(xiàn)PGA采樣M[0～2]引腳獲取配置方式信息。ATmega64監(jiān)視FPGA的INIT_B腳，當(dāng)INIT_B腳由低變高時(shí)，說明FPGA已經(jīng)完成了內(nèi)部配置RAM的清除工作，并準(zhǔn)備好接收配置數(shù)據(jù)。在ATmega64給出的CCLK配置時(shí)鐘的上升沿，配置數(shù)據(jù)D[0～7]寫入配置RAM。當(dāng)FPGA接收完所有的配置數(shù)據(jù)后，DONE引腳被FPGA置為高電平。ATmega64可以通過監(jiān)視DONE引腳來判斷FPGA是否加載完成。對(duì)于Spartan3系列的FPGA，如果配置FPGA的CCLK的頻率高于50 MHz，則外部控制器還需要監(jiān)視FPGA的BUSY引腳。當(dāng)BUSY腳為高時(shí)，說明FPGA還未完成上一個(gè)配置數(shù)據(jù)的處理，此時(shí)外部控制器需要繼續(xù)保持上一個(gè)配置數(shù)據(jù)在D[0～7]引腳，直至BUSY引腳回到低電平。對(duì)于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用，ATmega64給出的配置時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)低于50 MHz，不必考慮BUSY引腳的控制作用。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 主控計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

　　主控制計(jì)算機(jī)的軟件運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)該分為兩種： 一是平時(shí)的查詢控制狀態(tài)，用來查詢和控制系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；二是系統(tǒng)的升級(jí)狀態(tài)，用來執(zhí)行對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的升級(jí)控制。如圖4所示，這兩種狀態(tài)是可以相互轉(zhuǎn)換的。

　　圖4 主控計(jì)算機(jī)主要狀態(tài)

　　軟件的查詢控制狀態(tài)，是由系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能決定的，不屬于本文所討論的范疇。在系統(tǒng)的升級(jí)狀態(tài)，主控計(jì)算機(jī)先要通過以太網(wǎng)獲得系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)，待全部升級(jí)數(shù)據(jù)接收完成后，向系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送升級(jí)指令。節(jié)點(diǎn)響應(yīng)并建立起通信連接后，將該節(jié)點(diǎn)的升級(jí)數(shù)據(jù)全部發(fā)送到該節(jié)點(diǎn)。接下來，主控計(jì)算機(jī)判斷上一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為最后一個(gè)需要升級(jí)的節(jié)點(diǎn)，如果不是，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)節(jié)點(diǎn)升級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)所有的節(jié)點(diǎn)升級(jí)完成后，等待外部輸入的控制命令。例如，讓整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)，加載新的數(shù)據(jù)；或暫時(shí)不重新啟動(dòng)而返回查詢控制狀態(tài)。軟件流程如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)升級(jí)狀態(tài)流程

　　3.2 子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　對(duì)于子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，與主控計(jì)算機(jī)一樣，也分為平時(shí)的查詢控制狀態(tài)和系統(tǒng)升級(jí)狀態(tài)，并且它們之間也能夠與主控計(jì)算機(jī)一起相互轉(zhuǎn)換；但ATmega64單片機(jī)還要承擔(dān)對(duì)FPGA的加載任務(wù)。開機(jī)運(yùn)行后，ATmega64單片機(jī)先加載子節(jié)點(diǎn)FPGA，使子節(jié)點(diǎn)能夠正常工作。子節(jié)點(diǎn)正常工作后，監(jiān)視RS485總線并判斷有無對(duì)本節(jié)點(diǎn)的通信。當(dāng)主控計(jì)算機(jī)要求與本節(jié)點(diǎn)建立通信連接時(shí)，發(fā)送反饋信息，與其建立通信連接。子節(jié)點(diǎn)根據(jù)主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令，進(jìn)入查詢控制模式或者遠(yuǎn)程升級(jí)模式。進(jìn)入遠(yuǎn)程升級(jí)模式后，子節(jié)點(diǎn)接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)來的遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)，升級(jí)數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗(yàn)后寫入Flash。升級(jí)完成后繼續(xù)等待主控計(jì)算機(jī)的命令，重新啟動(dòng)或繼續(xù)運(yùn)行。其具體的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

　　圖6 子節(jié)點(diǎn)軟件流程

　　結(jié)語

　　FPGA既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了普通ASIC周期長、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，逐步成為許多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理想選擇。特別是隨著FPGA容量和性能的提升，加上其獨(dú)特的硬件升級(jí)能力，其應(yīng)用范圍越來越廣。本文所提出的對(duì)大容量FPGA構(gòu)成的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法，系統(tǒng)構(gòu)成簡單、技術(shù)成熟，而且具有明顯的成本優(yōu)勢。