摘要：網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備在客戶現(xiàn)場部署后，客戶需求變化了或者設(shè)備有些待修復(fù)問題，經(jīng)常會面臨FPGA（Field Programmable Gate Array）版本管理與升級的技術(shù)需求。研究FPGA版本管理與升級機(jī)制是提高網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)能力的關(guān)鍵技術(shù)之一，高可靠性的設(shè)計與快速實現(xiàn)無疑具有重要的實踐意義。該文提出了一種FPGA版本智能數(shù)字引導(dǎo)升級的方法，該方案已在數(shù)據(jù)中心通信設(shè)備中實現(xiàn)，仿真和測試結(jié)果表明該方案具有優(yōu)越的升級性能。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；FPGA版本管理與升級；智能化設(shè)計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.037

中圖分類號：TP 393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Design of FPGA Version Intelligent Management and Upgrade Technology Solution

TANG Shiqing

（Shanghai Nokia Bell Software Co.， Ltd.， Shanghai 201206， China）

Abstract： After the deployment of network communication equipment at the customer's site， if the customer's requirements change or the equipment has some issues that need to be repaired， it often faces the technical requirements of FPGA （Field Programmable Gate Array） version management and upgrading. Studying FPGA version management and upgrade mechanisms is one of the key technologies to improve network evolution capabilities， and the design and rapid implementation of high reliability undoubtedly have important practical significance. The article proposes a method for FPGA version intelligent digital guidance upgrade， which has been implemented in data center communication equipment. Simulation and test results show that this scheme has superior upgrade performance.

Keywords： network communication; FPGA version management and upgrading; intelligent design

1 研究背景

隨著5G大規(guī)模商用部署的實現(xiàn)，對于光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）的帶寬、時延和保護(hù)性能提出了更高的要求[1]。不斷演進(jìn)保護(hù)技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)生存能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究FPGA版本管理與升級機(jī)制，提高FPGA版本保護(hù)的可靠性和快速性，在實踐上有著重要的意義。當(dāng)前的電信設(shè)備業(yè)務(wù)板卡上有多個FPGA器件如Intel Cyclone V、Arria V等，選擇可靠加載方案非常必要。在實驗室環(huán)境下FPGA版本加載，可以采用JTAG（Joint Test Action Group）加載方式，如SOF（SRAM Object File）文件格式，其優(yōu)點(diǎn)是接口簡單，而其缺點(diǎn)是依賴硬件連線、遠(yuǎn)程操作不方便等[2]。在軟件環(huán)境下，可以采用CPU（Central Processing Unit）模擬方式，如模擬JTAG或者SPI（Serial Peripheral Interface）總線[3]，這種方式優(yōu)點(diǎn)是靈活、不依賴硬件設(shè)備，其缺點(diǎn)是加載速度慢、不容易恢復(fù)等。PCIE（Peripheral Component Interconnect Express）加載FPGA方式，其優(yōu)點(diǎn)是速度快[4]，但是PCIE IP（Intelligent Property）硬件成本較高、控制復(fù)雜。上述FPGA版本升級技術(shù)方案總結(jié)見表1。本文提出了一種智能FPGA數(shù)字引導(dǎo)升級技術(shù)的方案，是一種自治決策、自我管理、高可靠性、遠(yuǎn)程升級便捷FPGA加載方式，其能夠減少FPGA版本切換和升級時間，更好地滿足低延時、高速率、大帶寬、可靠性等客戶需求。

2 FPGA版本管理與升級控制智能化設(shè)計

2.1 FPGA版本智能雙啟動

一個智能雙啟動FPGA版本管理包含一個工廠測試版本和一個客戶應(yīng)用版本。FPGA外接FLASH儲存一份工廠測試版本和至少一份客戶應(yīng)用版本。上電后，F(xiàn)PGA工作在工廠測試版本，然后自動切換到客戶應(yīng)用版本。如果加載客戶應(yīng)用版本失敗或者缺失，則返回到工廠測試版本，這樣避免設(shè)備脫離網(wǎng)絡(luò)控制。版本的編碼關(guān)聯(lián)到相關(guān)控制信號，然后輸入到FPGA版本管理與升級智能控制器。智能控制器根據(jù)這些輸入信息結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)，發(fā)出自主控制動作，同時提供管理報文信息，其原理如圖1所示。

2.2 FPGA多版本管理與智能決策

FPGA多版本管理與智能決策，支持7個FPGA應(yīng)用版本，版本智能切換升級，適配不同外部接口應(yīng)用，如圖2所示。

一個智能FPGA版本管理與控制設(shè)計，包括工廠版本配置決策、版本數(shù)字引導(dǎo)、看門狗定時器、應(yīng)用版本系列配置、以及控制信息。如果配置錯誤或者重選版本，由智能控制器自動決策，進(jìn)行配置和升級。工廠版本配置決策，根據(jù)版本數(shù)字號引導(dǎo)，結(jié)合當(dāng)前的工作狀態(tài)，得出下一工作狀態(tài)，再查看看門狗定時器狀態(tài)信息，然后選擇應(yīng)用版本。應(yīng)用版本控制選擇版本1至7，智能切換不同的版本配置。如果配置錯誤或者加載失敗，則FPGA將恢復(fù)到工廠版本。來自各應(yīng)用版本配置錯誤信號，產(chǎn)生的反饋信號到工廠版本決策控制器?？撮T狗定時器模塊防止版本錯誤或者系統(tǒng)崩潰。版本數(shù)字引導(dǎo)，可以自治完成版本升級，降低客戶的維護(hù)成本。

2.3 FPGA版本智能多選設(shè)計

2.3.1 智能多選設(shè)計

通過數(shù)字化版本號引導(dǎo)，抽象化方式實現(xiàn)智能多選設(shè)計。將各FPGA應(yīng)用版本數(shù)字化編碼，如3’b000：對應(yīng)FPGA工廠版本，3’b001：對應(yīng)FPGA應(yīng)用版本1，以此類推，3’b111：對應(yīng)FPGA應(yīng)用版本7，如圖3所示。這樣，F(xiàn)PGA版本靈活分配和智能管理。不同應(yīng)用場景中，業(yè)務(wù)芯片接口會有不同，這時只需要適配版本編碼，不需要對整個FPGA進(jìn)行改動。

FPGA工廠版本主要完成工廠生產(chǎn)測試基本需求，而應(yīng)用版本1至7適用不同的功能需求。在上電后，F(xiàn)PGA工作在工廠版本，然后根據(jù)版本賬號自動選擇應(yīng)用版本1至7，這樣更好滿足客戶快速升級需求。

FPGA與flash之間接口有時鐘線CLK、片選線CS、數(shù)據(jù)線DATA0或者DATA0～DATA4?？梢赃x擇SPI X1或者QSPI X4模式。設(shè)計方案可以工作頻率如100 MHz，X4模式帶寬高達(dá)400 Mbps。一般10 M字節(jié)FPGA版本，0.2 s可以完成燒寫。

一個客戶板卡與網(wǎng)元內(nèi)多個板卡協(xié)同工作，因此存在FPGA控制信息傳輸鏈路。FPGA版本控制器與CPU通過總線連接，然后通過以太網(wǎng)接口與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信，這樣建立了通信鏈路。

圖3 FPGA多版本的管理與升級設(shè)計

2.3.2 FPGA智能雙啟動網(wǎng)元測試

智能雙啟動網(wǎng)元測試，如圖4所示，網(wǎng)元NE1（Network Element）和NE2構(gòu)成子網(wǎng)（sub network）連接，客戶設(shè)備分別與網(wǎng)元NE1和網(wǎng)元NE2相連接。FPGA智能雙啟動工廠測試或者客戶應(yīng)用模式，二者存放在芯片不同地址空間。網(wǎng)元啟動工廠測試版本，用于工廠生產(chǎn)測試。也可啟動不同應(yīng)用版本，滿足客戶差異化測試。

圖4 網(wǎng)元設(shè)備智能雙啟動互聯(lián)測試

2.4 FPGA版本智能管理與升級測試

FPGA版本智能化，支持七個應(yīng)用版本和一個工廠版本。智能控制器切換版本，如圖5所示。clock為時鐘信號，切換時間為5 us，對于通信網(wǎng)要求的50 ms保護(hù)倒換時間是非?？焖俚?。該方案實際測試結(jié)果，也進(jìn)一步驗證了FPGA版本智能化的優(yōu)越性能。圖6對比了FPGA智能升級與常規(guī)升級時間，常規(guī)升級時間隨著版本文件大小增加而線性增加，而本文方法升級時間幾乎沒有明顯增加。

圖5 FPGA版本智能管理與升級時序

3 結(jié)束語

本文提出FPGA版本智能管理與升級方法，通過抽象化、數(shù)字化和智能化等方式，適配不同物理應(yīng)用接口和多種工作場景。智能化設(shè)計極大減少了維護(hù)工作量，同時提高了可靠性，加快了上市步伐，保障了客戶設(shè)備業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。這項技術(shù)不限于光傳送網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，對于其他領(lǐng)域FPGA設(shè)計也具備參考和實用價值。

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