劉飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第29所，四川成都，611731）

0 背景

大多數(shù)電子系統(tǒng)到研制末期，都要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的外場(chǎng)試驗(yàn)、性能評(píng)估等環(huán)節(jié)。典型的是航空、軍工領(lǐng)域。在整個(gè)過(guò)程中經(jīng)常涉及到設(shè)備的升級(jí)，尤其是軟件升級(jí)尤其多。

在航空設(shè)備中，如果升級(jí)方式在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊的考慮，就可能面臨需要在復(fù)雜的機(jī)載設(shè)備中去拆卸需要升級(jí)的設(shè)備，機(jī)體空間狹小，操作及其困難。加上航空設(shè)備對(duì)安全要求很高，拆卸設(shè)備管理手續(xù)復(fù)雜，導(dǎo)致軟件升級(jí)更新工作量巨大，耗時(shí)漫長(zhǎng)。影響客戶對(duì)研制方評(píng)價(jià)，這些因素綜合起來(lái)就觸發(fā)OTA（Over-the-AirTechnology）升級(jí)方式的提出。其核心訴求就是需要一種方便高效的升級(jí)方式。

1 傳統(tǒng)的升級(jí)辦法

在目前的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)的處理都以FPGA為核心，經(jīng)常是單個(gè)模塊設(shè)計(jì)自己的加載（更新）軟件端口，這種加載口設(shè)計(jì)在各個(gè)模塊上，升級(jí)軟件時(shí)需要連接仿真器（下載軟件工具）到各個(gè)模塊，然后用電腦逐片把軟件燒寫入FPGA的加載prom（ flash）中。傳統(tǒng)的加載接口如圖1所示樣式。

圖1 傳統(tǒng)的軟件加載（升級(jí)）口設(shè)計(jì)

這種加載設(shè)計(jì)的弊端在如下幾個(gè)方面：

⑴加載時(shí)間長(zhǎng)，以Xinlinx公司Virtex6這種中大規(guī)模的FPGA芯片為例，加載每一片Prom文件燒寫時(shí)間大約需要30分鐘，如果一個(gè)功能模塊有3-4片。總共升級(jí)時(shí)間需要接近2個(gè)小時(shí)。如果需要升級(jí)多個(gè)功能模塊的話，經(jīng)常升級(jí)時(shí)間實(shí)際按天計(jì)算。無(wú)疑這種時(shí)間在爭(zhēng)分奪秒的外場(chǎng)試驗(yàn)階段，工作是非常被動(dòng)的。

⑵操作不方便，這種加載口留在各個(gè)功能模塊面板上或印制板上，在設(shè)備裝機(jī)之后，有些面板難以觸及。需要復(fù)雜的拆卸才能觸及到加載接口，無(wú)法快速升級(jí)軟件。

⑶導(dǎo)致接口不統(tǒng)一，各個(gè)模塊采用各個(gè)模塊的加載口設(shè)計(jì)風(fēng)格，有單排線、雙排線、自定義加載線順序的。升級(jí)維護(hù)就需要帶多種轉(zhuǎn)接線、加載頭。升級(jí)維護(hù)執(zhí)行起來(lái)非常困難。

如上諸多弊端共同影響下，外場(chǎng)升級(jí)工作時(shí)間長(zhǎng)、操作性差、設(shè)備升級(jí)麻煩。為了提高設(shè)備的維護(hù)性，結(jié)合FPGA芯片設(shè)計(jì)的加載方式，我們提出新一種新的升級(jí)設(shè)計(jì)方式。

2 快速升級(jí)的系統(tǒng)加載設(shè)計(jì)

為了滿足整個(gè)電子系統(tǒng)的快速升級(jí)，我們將系統(tǒng)的全部軟件集中放置到“軟件數(shù)據(jù)載板”上，留一個(gè)統(tǒng)一的升級(jí)接口（網(wǎng)口），再將網(wǎng)口連接到容易觸及的地方。以方便升級(jí)連接使用。設(shè)計(jì)的軟件加載結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)加載示意

從圖2中可以看到我們的設(shè)計(jì)思路如下：

⑴為了便于升級(jí)維護(hù)設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的軟件數(shù)據(jù)載板，存放全系統(tǒng)所有的軟件數(shù)據(jù)。

⑵設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的維護(hù)接口，在單片機(jī)和FPGA的配合下。網(wǎng)口可以完成對(duì)軟件數(shù)據(jù)載板上所有的Prom的訪問(wèn)更新。

在系統(tǒng)正常工作時(shí)，“軟件數(shù)據(jù)載板”上的FPGA使用主動(dòng)加載技術(shù)，從FPGA旁邊的PROM中加載需要的軟件，如圖所示的XC2VP40芯片。在這個(gè)FPGA加載正常工作后，當(dāng)FPGA檢測(cè)到系統(tǒng)不是處于復(fù)位并且功能模塊正常加電的情況下，同時(shí)讀取旁邊PROM芯片1～N中的數(shù)據(jù)，通過(guò)母板給每一個(gè)需要加載的功能模塊加載軟件。這里需要用到FPGA的從加載（Slave）技術(shù)。

在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，用外部電腦連接網(wǎng)口，在單片機(jī)和FPGA（圖中的XC2VP40）的配合下，給軟件數(shù)據(jù)載板上的PROM1～N更新軟件。這里需要單片機(jī)和維護(hù)電腦之間有軟件協(xié)議進(jìn)行通信。包括通信文件格式，數(shù)據(jù)地址的約定等。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，最核心的部分是，由于各個(gè)PROM中的數(shù)據(jù)要更新，需要一片F(xiàn)PGA做時(shí)序控制，那么各個(gè)PROM對(duì)應(yīng)的功能模塊如果采用主動(dòng)加載模式，勢(shì)必造成加載時(shí)序不受控制，更新端網(wǎng)口不好設(shè)計(jì)。怎么保證“軟件數(shù)據(jù)載板”上的FPGA把放在PROM1～N中的數(shù)據(jù)加載到各個(gè)功能模塊1～N中去，并且要正常運(yùn)行，還要兼顧升級(jí)一端對(duì)PROM的軟件更新操作。這里必須所有的時(shí)序要在“軟件數(shù)據(jù)載板”上的FPGA的控制協(xié)調(diào)下進(jìn)行。各個(gè)功能模塊不能各自控制自己的加載時(shí)序。

這里必須要使用FPGA的“從加載模式”（Slave Mode）來(lái)實(shí)現(xiàn)，“從加載模式”又分為串行模式和并行模式。這兩種模式互有優(yōu)劣，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短使用。

■2.1 FPGA的Slave串行加載設(shè)計(jì)

FPGA加載模式較多，根據(jù)FPGA是否能夠主動(dòng)加載配置數(shù)據(jù)，可以分為主（Master mode）加載模式、從加載（Slave mode）模式、JTAG模式。其中主模式是指由被配置的FPGA自己產(chǎn)生加載時(shí)鐘和時(shí)序信號(hào)，從外部PROM（或 flash）中讀取配置流數(shù)據(jù)，如：軟件數(shù)據(jù)載板上的XC2VP40就采用主動(dòng)加載模式。從模式為加電后由外部的智能處理器（如另外的FPGA、處理器或DSP等智能器件）產(chǎn)生加載時(shí)鐘和時(shí)序把配置數(shù)據(jù)加載給FPGA，F(xiàn)PGA在加載過(guò)程中是被動(dòng)的，這個(gè)時(shí)候軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)非常靈活，可以是在硬盤上、PROM中、甚至是在其他軟件的軟件代碼中。從加載模式應(yīng)用非常靈活。JTAG模式主要用于調(diào)試過(guò)程中，可以將計(jì)算機(jī)中的BIT文件通過(guò)JTAG仿真器下載到FPGA中，斷電及丟失，可以提高調(diào)試效率。

FPGA的加載模式可以通過(guò)配置管腳M2、M1、M0的上下拉來(lái)選擇，F(xiàn)PGA種類和型號(hào)較多，配置時(shí)序間略有差異，這里以XC2VP40和XC4VFX60為例進(jìn)行圖例介紹。

從串行模式加載示意如圖3所示，等待配置的為器件XC4VFX60，生成配置時(shí)序的FPGA型號(hào)為XC2VP40。

圖3 FPGA從串行模式配置示意圖

要對(duì)XC4VFX60進(jìn)行從串行配置，要將從（Slave）模式的模式選擇M2、M1、M0設(shè)置為“111”（不同型號(hào)的FPGA有差異），硬件上XC4VFX60對(duì)應(yīng)的CCLK、Din、PROG_B,INIT_B,DONE管腳連接到控制加載芯片（圖中為XC2VP40）的可編程的IO管腳上。將對(duì)應(yīng)信號(hào)CCLK，PROG_B,INIT_B,DONE進(jìn)行上下拉處理（如圖3）。其中CCLK有些需要上拉100Ω，也需要下拉100Ω，其余信號(hào)均需要4.7k上拉，以幫助在時(shí)序作用時(shí)，建立穩(wěn)定確定的時(shí)序。

從串行模式配置時(shí)序可參看文獻(xiàn)3中相應(yīng)的章節(jié).大致可描述為XC2VP40給XC4VFX60器件PROG_B一個(gè)脈寬大于300ns的負(fù)脈沖信號(hào)啟動(dòng)配置，在啟動(dòng)配置后，INIT_B信號(hào)隨之變低，當(dāng)PROG_B的信號(hào)拉高后，開始檢測(cè)INIT_B是否變高，當(dāng)檢測(cè)到INIT_B變高說(shuō)明XC4VFX60已經(jīng)做好加載準(zhǔn)備，開始接收DIN管腳上的數(shù)據(jù)信號(hào)，這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)和CCLK同步。DIN數(shù)據(jù)就是配置的串行數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)全部正確接收完成后，DONE信號(hào)變高，這個(gè)時(shí)候CCLK多保持幾個(gè)時(shí)鐘周期，保證配置時(shí)序正確停止。整個(gè)配置過(guò)程需要比配置文件BIT長(zhǎng)度更多的時(shí)鐘周期。

這種串行模式只需要1根數(shù)據(jù)線（DIN）+ 4根控制線（CCLK，PROG_B,INIT_B,DONE），共5根硬件連接線，硬件連接非常簡(jiǎn)潔，但是加載速度不快，比較適合容量不大的FPGA或者是連接線數(shù)量很緊張的情況。例如射頻模塊、射頻放大器中的控制類FPGA。

■2.2 FPGA的Slave并行加載設(shè)計(jì)

對(duì)于目標(biāo)FPGA容量較大的，采用串行模式加載有時(shí)候不能滿足快速啟動(dòng)要求，需要采用并行加載模式，主要區(qū)別在于，并行加載模式加載線為8位，理論上速度是串行加載速度的8倍。

FPGA的從并行在線配置連接示意圖如圖4所示。

圖4 FPGA從并行模式配置示意圖

從加載芯片XC4VFX60必須正確連接M2、M1、M0三個(gè)配置模式管腳為“110”，硬件上正確連接CCLK、PROG_B、DIN[7:0]、CS_B、RDWR_B、INIT_B、DONE、BUSY等信號(hào)，在控制芯片XC2VP40一側(cè)的FPGA上，這些信號(hào)要連接到可編程的IO端口，控制側(cè)FPGA（XC2VP40）需要編程產(chǎn)生XC4VFX60從模式需要的加載時(shí)序，其中INIT_B、CCLK、PROG_B、DONE等信號(hào)要進(jìn)行相應(yīng)的上下拉處理（如圖4）。其中CCLK有些需要上拉100Ω，也需要下拉100Ω，其余信號(hào)均需要4.7k上拉，以幫助在時(shí)序作用時(shí)，建立穩(wěn)定的時(shí)序。

從并行模式配置時(shí)序可參考文獻(xiàn)3中相應(yīng)的章節(jié)。大致可以描述如下XC2VP40通過(guò)PROG_B給CX4VFX60一個(gè)脈寬大于300ns的負(fù)脈沖啟動(dòng)配置，在PROG_B信號(hào)變低后，INIT_B信號(hào)隨之變低，當(dāng)檢測(cè)到INIT_B信號(hào)變高后，表明XC4VFX60已經(jīng)做好準(zhǔn)備，CS_B相應(yīng)的置低可以使能并行數(shù)據(jù)總線，這時(shí)開始接收D[7:0]傳送的和CCLK同步的并行配置數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)全部正確接收后，DONE信號(hào)變高，軟件正常運(yùn)行。若INIT_B變低說(shuō)明配置出錯(cuò)，需要重新配置。

其中需要注意的是，和串行模式不同。在并行模式中，需要對(duì)加載BIT文件進(jìn)行位翻轉(zhuǎn)。這就意味著，XC2VP40需要在將加載數(shù)據(jù)進(jìn)行位翻轉(zhuǎn)后在傳給XC4VFX60。這里并行配置數(shù)據(jù)是配置文件按照字節(jié)進(jìn)行位翻轉(zhuǎn)后的。整個(gè)過(guò)程可以始終保持CCLK時(shí)鐘。

從并行加載方式，需要8根數(shù)據(jù)線（D[7:0]）+7根控制線（CCLK、PROG_B、CS_B、RDWR_B、INIT_B、DONE、BUSY）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中圖4中未畫出BUSY連接，共需要15根硬件連線。雖然要較多的連接線，但是實(shí)際的數(shù)據(jù)加載線為8根，理論上加載速度為串行加載速度的8倍。適合大容量的FPGA或者對(duì)加載速度有較高要求的場(chǎng)景。例如常用的信號(hào)處理類功能模塊。

■2.3 對(duì)比總結(jié)

針對(duì)從加載串行模式和并行模式，兩者互有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中需要靈活處理，既能合理利用資源又能滿足工程實(shí)際需要。

串行模式優(yōu)點(diǎn)是需要的硬件連接線較少，加載時(shí)不需要做格式轉(zhuǎn)換，所以在加載控制電路上較容易實(shí)現(xiàn)。其劣勢(shì)是加載速度相對(duì)較慢，不適合對(duì)加載速度有高要求的地方。

并行加載模式優(yōu)點(diǎn)是加載速度較快，適合對(duì)加載速度有要求，或者是FPGA容量較大的場(chǎng)合。劣勢(shì)是需要使用較多的硬件線連接，時(shí)序相比串行要復(fù)雜；加載時(shí)需要對(duì)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電路（軟件）比較復(fù)雜。

需要在實(shí)際工程上兩者結(jié)合互補(bǔ)長(zhǎng)短才能發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的外場(chǎng)試驗(yàn)越來(lái)越多，售后服務(wù)壓力越來(lái)越大、升級(jí)更新的頻率越來(lái)越高。傳統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)在目前的情形下再也難以滿足需求變化。在實(shí)際升級(jí)需求的倒逼之下，本人覺(jué)得改變傳統(tǒng)的升級(jí)方式也日益迫切。在這里提出這種以FPGA從加載模式為基礎(chǔ)的OTA升級(jí)設(shè)計(jì)思路。供業(yè)內(nèi)的人士共同探討。機(jī)載、軍工設(shè)備的OTA升級(jí)設(shè)計(jì)，由于設(shè)備安全等原因，肯定不能像汽車、手機(jī)等智能設(shè)備一樣可以通過(guò)遠(yuǎn)程的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是在強(qiáng)烈的外場(chǎng)需求倒逼之下，可以借鑒一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路，采取一些折中的辦法，既保證設(shè)備的安全，也兼顧升級(jí)維護(hù)的便利性，讓外場(chǎng)設(shè)備的更新升級(jí)變得更容易一些。設(shè)備的維護(hù)性、保障性變得更好一些。