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        FPGA分布式系統(tǒng)的固件升級設(shè)計

        2022-10-29 05:23:08周云松黃維雄劉驍知范晉文
        電子與封裝 2022年10期
        關(guān)鍵詞:固件框圖電平

        周云松,黃維雄,劉驍知,范晉文

        (中科芯集成電路有限公司,江蘇無錫 214072)

        1 引言

        在進行單板FPGA子系統(tǒng)調(diào)試時,只需要連接聯(lián)合測試工作組(JTAG)接口即可完成比特流的加載、在線觀測、Flash配置文件的固化等操作,非常便利[1]。然而,當一個系統(tǒng)中有上百個FPGA子系統(tǒng)需要同時加載比特流進行調(diào)試時,使用JTAG將變得力不從心[2]。目前軍用系統(tǒng)對大規(guī)模FPGA系統(tǒng)的固件升級常常使用自定義的通信協(xié)議,不同的設(shè)備要求不同,不具備通用性[3]。同時部分升級系統(tǒng)只側(cè)重網(wǎng)絡(luò)上單個FPGA固件升級設(shè)計的實現(xiàn),規(guī)避應(yīng)用環(huán)境中使用JTAG升級的安全風險,未有在高速通信系統(tǒng)中應(yīng)用的案例[4],且不具備升級的靈活性。本文提出的固件升級系統(tǒng)結(jié)合了當前較為成熟的技術(shù)解決方案,以萬兆以太網(wǎng)[5]、TCP/IP協(xié)議為基石,解決了通用性問題,在作為系統(tǒng)級的固件升級方案的同時又能作為系統(tǒng)級的通信方案,保證了高速實時通信。系統(tǒng)中還使用了高性能DSP作為系統(tǒng)的主處理器[6],所以整個系統(tǒng)適用于對數(shù)據(jù)吞吐量和處理性能要求都較高的系統(tǒng)。

        2 硬件體系結(jié)構(gòu)

        2.1 子系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

        子系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,框圖中只給出了與固件升級相關(guān)的硬件連接關(guān)系,其余與應(yīng)用相關(guān)的外設(shè)連接關(guān)系不予討論。該子系統(tǒng)是典型的DSP+FPGA構(gòu)架,對系統(tǒng)中主要器件以及連接關(guān)系進行簡要說明,同樣與應(yīng)用相關(guān)的作用也不予討論。

        圖1 子系統(tǒng)硬件框圖

        主處理器DSP型號為TMS320S6455,在固件進行升級操作時從外部存儲器接口(EMIF)總線讀取固件數(shù)據(jù),并存儲到Flash中,在子系統(tǒng)上電啟動時,將Flash中的固件數(shù)據(jù)發(fā)送至EMIF總線,協(xié)FPGA總線通過SelectMap驅(qū)動將EMIF固件數(shù)據(jù)發(fā)送至主FPGA,達到啟動主FPGA的目的。

        主FPGA型號為XC7V690T,為子系統(tǒng)提供萬兆以太網(wǎng)的組網(wǎng)能力。協(xié)FPGA主要完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、異常處理、接口驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)換等功能,這里對電平轉(zhuǎn)換功能進行必要的描述。主DSP的EMIF總線工作電平為3.3 V,而主FPGA為高性能FPGA,其I/O電平只能支持1.8 V,所以二者不能直接相連,必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。由于EMIF總線的I/O數(shù)多,需要使用多片電平轉(zhuǎn)換芯片,電路占用面積大,這里巧妙利用了協(xié)FPGA支持多種I/O電平的特點,在完成子系統(tǒng)其他功能的同時,使用剩余的I/O管腳,完成了EMIF總線電平轉(zhuǎn)換的功能。

        2.2 系統(tǒng)級硬件體系結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)級硬件框圖如圖2所示,該系統(tǒng)由PC上位機、萬兆以太網(wǎng)交換機與子系統(tǒng)構(gòu)成,在進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)或維護升級時,可通過上位機對所有子系統(tǒng)固件進行一鍵升級,同時上位機可實時查看每一個子系統(tǒng)的狀態(tài)。

        圖2 系統(tǒng)級硬件框圖

        3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示,主要由上位機軟件、主FPGA軟件、協(xié)FPGA軟件與主DSP軟件構(gòu)成,框圖中與固件升級系統(tǒng)無關(guān)的軟件連接關(guān)系均用虛線表示。

        3.1 SelectMAP

        SelectMAP是Xilinx FPGA比特流加載啟動的一種方式,有Master SelectMAP和Slave SelectMAP 2種模式,主要區(qū)別是時鐘信號CCLK由FPGA產(chǎn)生還是由外部供給,本系統(tǒng)中選擇使用Slave SelectMAP模式,CCLK信號由外部供給,這是一種方便使用外圍處理器配置FPGA比特流文件的方式[7]。外圍處理器、復雜可編程邏輯器件(CPLD)等可通過產(chǎn)生對應(yīng)的時序來完成對FPGA的加載,這是完成本系統(tǒng)功能的重要技術(shù)之一,系統(tǒng)軟件框圖中的SelectMAP驅(qū)動就是將EMIF總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SelectMAP配置時序,從而實現(xiàn)DSP配置FPGA比特流的功能。

        圖3 系統(tǒng)軟件框圖

        3.2 萬兆以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧

        萬兆以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧的技術(shù)可參閱文獻[8]。本系統(tǒng)中采用的硬件協(xié)議棧功能更為完善,在支持地址解析(ARP)、用戶數(shù)據(jù)報(UDP)協(xié)議的基礎(chǔ)之上,新增支持組管理協(xié)議(IGMPv2協(xié)議),使協(xié)議棧不僅支持單播組網(wǎng),同時也支持組播組網(wǎng)。在萬兆以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧的加持下,子系統(tǒng)具備了強大的組網(wǎng)能力。

        3.3 固件升級流程

        系統(tǒng)的應(yīng)用功能是由主DSP和主FPGA的固件來實現(xiàn)的,所以固件升級的是主DSP和主FPGA的固件,協(xié)FPGA固件在第一次固化后就不再升級。固件升級流程如圖4所示,上位機通過萬兆以太網(wǎng)將升級固件發(fā)送給子系統(tǒng),子系統(tǒng)中的工作流程如下:萬兆以太網(wǎng)硬件協(xié)議棧將數(shù)據(jù)解析后發(fā)送至EMIF總線,主DSP通過EMIF總線識別讀取,升級固件后燒寫到Flash中[9]。所有升級數(shù)據(jù)幀除了以太網(wǎng)協(xié)議中的校驗外,用戶數(shù)據(jù)中也包含了校驗,校驗通過后才能燒寫到Flash中,校驗不通過,子系統(tǒng)會將錯誤狀態(tài)上報給上位機。Flash燒寫完畢后,DSP還會將固化的固件進行回讀比較,以確認燒寫的正確性,大大提高了固件升級的穩(wěn)健性。

        由于應(yīng)用環(huán)境的多樣性,在一個大系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可能是相同的,例如相控陣雷達中各個子陣;也有可能不同的子系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為幾種類型,需要升級不同的固件。分3種情況說明升級系統(tǒng)的靈活性。

        圖4 固件升級流程

        第1種,所有子系統(tǒng)的固件相同,將所有子系統(tǒng)設(shè)置成同一個組播IP(即一個組),上位機向組播IP發(fā)送升級數(shù)據(jù)即可。

        第2種,子系統(tǒng)的固件分為幾種類型,按類型分類設(shè)置不同的組播IP,上位機向不同的組播IP發(fā)送升級數(shù)據(jù),完成不同類型的子系統(tǒng)固件升級。

        第3種,單個子系統(tǒng)的固件升級,上位機向指定的單播IP地址發(fā)送升級數(shù)據(jù),完成一個子系統(tǒng)的固件升級。

        升級系統(tǒng)的靈活性可以滿足不同系統(tǒng)的固件升級需求。

        以上描述的升級固件包含主DSP軟件和主FPGA軟件,協(xié)FPGA的軟件主要為系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、異常處理以及接口轉(zhuǎn)換等功能,在調(diào)試穩(wěn)定后不需要進行升級,所以協(xié)FPGA的程序單獨固化在啟動PROM中。

        3.4 固件的啟動流程

        固件啟動流程如圖5所示,子系統(tǒng)中的工作流程如下:上電后主DSP會自動從Flash中加載程序,DSP啟動完成后首先從Flash中讀取主FPGA的比特流,并通過EMIF總線發(fā)送給協(xié)FPGA,協(xié)FPGA將比特流轉(zhuǎn)換為SelectMap的時序,完成對主FPGA的配置與啟動。

        圖5 固件啟動流程

        4 系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計

        4.1 固件存儲的冗余備份

        主DSP固件和主FPGA固件是存儲在Flash中的,如何避免異常情況導致固件錯誤是必須要研究的課題。硬件協(xié)議棧中的層層校驗和回讀確認已經(jīng)能保證固件數(shù)據(jù)的正確性,還有一種異常情況則是在燒寫Flash的過程中系統(tǒng)斷電或不可抗力等因素導致固件沒有燒寫完成,這時Flash中的固件數(shù)據(jù)不完整,再次上電時主DSP和主FPGA任意一個不能完成啟動,子系統(tǒng)將失去再次升級固件的能力,這時需要插入JTAG燒寫程序才能再次恢復,這在大的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時是不被允許的,冗余備份則能有效解決該問題。

        Flash固件存儲結(jié)構(gòu)如圖6所示,F(xiàn)lash的存儲空間被一分為二,因為Flash的地址總線最高位是由協(xié)FPGA控制的(參見圖1或3),在子系統(tǒng)掛入大系統(tǒng)之前,黃金固件區(qū)和更新固件區(qū)均要燒寫好相同的固件。當系統(tǒng)級固件升級時,一般只是把固件燒寫到更新固件區(qū),這樣黃金固件區(qū)的固件會始終保持完整,即使更新固件區(qū)的固件被損壞,子系統(tǒng)也能利用黃金固件區(qū)的固件完成啟動。當需要升級黃金固件區(qū)的固件時,主DSP需要向協(xié)FPGA申請獲得Flash最高地址位的控制權(quán),并且升級時需要保證更新固件區(qū)固件的完整性。

        圖6 Flash固件存儲結(jié)構(gòu)

        4.2 冗余備份的工作機制

        主備份的切換啟動是由協(xié)FPGA來控制的,因為Flash地址總線的最高位和DSP的硬件復位信號均由協(xié)FPGA控制(參見圖1或3),具體工作原理如下。

        協(xié)FPGA內(nèi)部有一個狀態(tài)監(jiān)測看門狗,它是一個定時器,上電以后開始計時。主DSP軟件需要間隔固定時間向狀態(tài)監(jiān)測看門狗上報狀態(tài),當任一固件啟動失敗時,主DSP不能在規(guī)定的間隔時間內(nèi)向狀態(tài)監(jiān)測看門狗上報狀態(tài),此時狀態(tài)監(jiān)測看門狗將翻轉(zhuǎn)Flash地址總線最高位的電平以切換固件區(qū),并控制主DSP復位,主DSP復位后就可以從新的固件區(qū)重新開始啟動,其具體流程如圖7所示。

        5 實施結(jié)果

        基于FPGA構(gòu)架的固件升級系統(tǒng)在某型號相控陣雷達上通過了驗證,相控陣雷達由一百多個FPGA子系統(tǒng)構(gòu)成,雷達在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時會對子系統(tǒng)的固件或參數(shù)進行反復的升級和配置,使系統(tǒng)完成功能或達到最佳性能。該升級系統(tǒng)可有效支持雷達各子系統(tǒng)固件一鍵升級,也可只對一個或幾個指定的子系統(tǒng)進行固件升級,并且可利用系統(tǒng)靈活的特性對每個子系統(tǒng)進行參數(shù)的差異化配置,大大減少了系統(tǒng)的調(diào)試工作量,加快了聯(lián)調(diào)進度。

        圖7 冗余備份切換機制工作流程

        6 結(jié)論

        通過實踐驗證了基于FPGA構(gòu)架的固件升級系統(tǒng)設(shè)計的正確性。該設(shè)計具有快捷、高效、靈活、穩(wěn)定的特性,同時能兼顧系統(tǒng)應(yīng)用的高速通信,非常適合大規(guī)模使用FPGA構(gòu)建的系統(tǒng),可以減少系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的工作量,提高效率,具備良好的推廣與借鑒價值。

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