一種基于重構(gòu)的FPGA遠(yuǎn)程更新方法

周 駿，宋 凱，沈 洋，丁 遜

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

近年來FPGA遠(yuǎn)程更新多采用ARM、CPLD等微處理器輔助方式實現(xiàn)[1-4]，上位機通過網(wǎng)絡(luò)通信接口將新程序發(fā)送給微處理器，并由微處理器寫入非易失性存儲器中。FPGA配置的加載由微處理器通過I/O口模擬FPGA配置信號時序，將新程序加載到FPGA中，完成更新。在雷達(dá)應(yīng)用中，F(xiàn)PGA承擔(dān)復(fù)雜的信號處理算法，需要大量邏輯實現(xiàn)，將遠(yuǎn)程更新邏輯與用戶業(yè)務(wù)邏輯耦合在一起會大量占用業(yè)務(wù)可使用的邏輯資源。本文提出一種基于重構(gòu)的FPGA遠(yuǎn)程更新方法，將Flash芯片分成遠(yuǎn)程更新程序區(qū)域和用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域，通過ICAP原語與IPROG命令實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新程序和用戶業(yè)務(wù)邏輯的跳轉(zhuǎn)加載。在遠(yuǎn)程更新程序中完成Flash用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域配置文件的更新與維護(hù)，在完成更新后，跳轉(zhuǎn)至用戶業(yè)務(wù)邏輯，實現(xiàn)不斷電遠(yuǎn)程更新程序的目的。

1 工作原理

基于重構(gòu)的FPGA遠(yuǎn)程更新功能依靠網(wǎng)絡(luò)通信功能和FPGA的MultiBoot能力[5]，其中MultiBoot功能是指FPGA在不斷電的情況下，可以重新加載Flash中不同地址的配置文件，實現(xiàn)FPGA整片邏輯重構(gòu)。將Flash按照最大配置文件大小分成用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域和遠(yuǎn)程更新邏輯區(qū)域兩個區(qū)域：前者存儲用戶業(yè)務(wù)程序，后者存儲遠(yuǎn)程更新程序。所有配置程序均包含重構(gòu)模塊，重構(gòu)模塊通過將配置區(qū)域Flash地址寫入ICAP原語并發(fā)送IPROG命令的方法，實現(xiàn)FPGA整片邏輯重構(gòu)。

遠(yuǎn)程更新程序邏輯由重構(gòu)模塊、MicroBlaze系統(tǒng)以及運行于Microblaze系統(tǒng)上的嵌入式程序構(gòu)成，可采用TCP/IP協(xié)議接收上位機傳輸?shù)腇PGA新配置，并寫入Flash用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域，實現(xiàn)配置文件的遠(yuǎn)程更新，完成后再重構(gòu)加載用戶業(yè)務(wù)程序即可。由圖1所示的工作原理可以看出，F(xiàn)PGA通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊和一個簡單的狀態(tài)機以及ICAP原語完成用戶業(yè)務(wù)程序和遠(yuǎn)程更新程序的切換，由于兩個配置邏輯文件完全獨立，可以使產(chǎn)品具備遠(yuǎn)程更新功能的同時不占用用戶業(yè)務(wù)邏輯資源。

圖1 遠(yuǎn)程更新工作原理框圖

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 硬件架構(gòu)

2.1.1 硬件設(shè)計

為了滿足低成本、小型化需求，系統(tǒng)硬件采用單片F(xiàn)PGA處理模塊、Flash芯片、網(wǎng)絡(luò)芯片構(gòu)成，其硬件框如圖2所示。FPGA選用Xilinx公司的Virtex 6芯片，該芯片有充足的邏輯資源、DSP資源和RAM資源，滿足導(dǎo)航雷達(dá)復(fù)雜信號處理的需求，同時該芯片內(nèi)置專用加載模塊，支持MultiBoot功能。網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用88E1111，F(xiàn)lash選擇Mircon公司的JS28F512P30，存儲64 MB，滿足存儲兩個bin文件的需求。在本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程更新邏輯與用戶業(yè)務(wù)邏輯共用相同網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，避免了網(wǎng)絡(luò)交換芯片的使用。

圖2 遠(yuǎn)程更新硬件框圖

2.1.2 嵌入式軟核設(shè)計

遠(yuǎn)程更新邏輯需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信及Flash芯片控制，系統(tǒng)采用構(gòu)建MicroBlaze嵌入式軟核來替代傳統(tǒng)方法中的ARM芯片。MicroBlaze系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示，外設(shè)方面包括網(wǎng)絡(luò)接口模塊、Flash控制模塊、定時模塊、調(diào)試模塊、中斷管理模塊、存儲模塊等，其中由于本系統(tǒng)無DDR3芯片，為了給嵌入式程序提供足夠的運行空間，通過AXI總線將一個片內(nèi)BlockRAM模塊連接到MicroBlaze的M_AXI_DC和M_AXI_IC端口充當(dāng)緩存。

圖3 遠(yuǎn)程更新MicroBlaze系統(tǒng)框圖

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 重構(gòu)模塊

用戶業(yè)務(wù)邏輯和遠(yuǎn)程更新邏輯均有重構(gòu)模塊，該模塊利用FPGA的Multiboot功能可以不斷電加載Flash中不同區(qū)域FPGA配置文件，完成整片F(xiàn)PGA重構(gòu)。當(dāng)收到重構(gòu)跳轉(zhuǎn)命令后，重構(gòu)模塊狀態(tài)機向ICAP原語寫入內(nèi)部加載邏輯指令序列，將重構(gòu)區(qū)域Flash地址填入加載起始地址寄存器(WBSTAR)中，并寫入IPROG控制指令完成重構(gòu)加載。

重構(gòu)跳轉(zhuǎn)邏輯如圖4所示。設(shè)備上電時，F(xiàn)PGA默認(rèn)加載遠(yuǎn)程更新程序，如果在一定時間內(nèi)無法連接上位機，則跳轉(zhuǎn)至用戶業(yè)務(wù)程序，否則等待上位機操作；當(dāng)FPGA跳轉(zhuǎn)至用戶業(yè)務(wù)程序后，如果接收網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)命令，通過重構(gòu)模塊將遠(yuǎn)程更新邏輯區(qū)域的Flash地址寫入ICAP原語，并發(fā)送IPROG命令，F(xiàn)PGA將從遠(yuǎn)程更新邏輯區(qū)域地址開始加載遠(yuǎn)程更新邏輯，實現(xiàn)FPGA由用戶業(yè)務(wù)邏輯向遠(yuǎn)程更新邏輯的重構(gòu)。當(dāng)FPGA重構(gòu)為遠(yuǎn)程更新邏輯時，通過TCP/IP協(xié)議連接上位機服務(wù)器，接收由上位機發(fā)送的新用戶業(yè)務(wù)邏輯bin文件數(shù)據(jù)流，寫入用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域，實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新功能。當(dāng)完成更新時，遠(yuǎn)程更新邏輯將再次利用ICAP原語，使FPGA從用戶業(yè)務(wù)區(qū)域加載更新后的程序，完成不斷電用戶業(yè)務(wù)程序更新。

圖4 重構(gòu)模塊原理流程圖

2.2.2 嵌入式內(nèi)核程序設(shè)計

嵌入式內(nèi)核程序運行于FPGA構(gòu)建的MicroBlaze嵌入式軟核內(nèi)，其設(shè)計基于FreeRTOS操作系統(tǒng)，并運行LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實現(xiàn)TCP/IP通信。嵌入式內(nèi)核程序流程如圖5所示：首先完成Flash操作庫和LWIP網(wǎng)絡(luò)庫初始化，然后連接指定IP的TCP服務(wù)器。如果在一定時間內(nèi)無法連接，則對重構(gòu)模塊發(fā)送命令跳轉(zhuǎn)至用戶業(yè)務(wù)模塊。如果連接成功，將等待上位機操作。當(dāng)需要更新程序時，上位機軟件通過TCP協(xié)議發(fā)送新的用戶業(yè)務(wù)程序數(shù)據(jù)包給嵌入式內(nèi)核程序，嵌入式內(nèi)核程序接收數(shù)據(jù)包，并寫入Flash中的用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域，將接收到的數(shù)據(jù)包CRC32校驗值和寫入的Flash數(shù)據(jù)包總大小返回給上位機程序。當(dāng)上位機完成新程序文件發(fā)送，并接收到正確的CRC32校驗值和數(shù)據(jù)包大小時，認(rèn)為更新完成，發(fā)送重構(gòu)命令給嵌入式內(nèi)核程序，實現(xiàn)新用戶業(yè)務(wù)程序的加載。

2.2.3 上位機程序設(shè)計

上位機采用MFC設(shè)計，通過TCP/IP協(xié)議與嵌入式內(nèi)核程序進(jìn)行通信，主要完成創(chuàng)建更新TCP服務(wù)端，UDP重構(gòu)命令發(fā)送，用戶文件讀取等功能。當(dāng)FPGA重構(gòu)為遠(yuǎn)程更新邏輯時，嵌入式內(nèi)核程序?qū)⒅鲃舆B接上位機的TCP服務(wù)端。在嵌入式內(nèi)核程序連接服務(wù)器成功后，上位機讀取本地用戶更新文件，并發(fā)送給嵌入式內(nèi)核程序?qū)崿F(xiàn)更新。更新完成后，上位機發(fā)送UDP重構(gòu)命令，實現(xiàn)FPGA由遠(yuǎn)程更新邏輯跳轉(zhuǎn)至用戶業(yè)務(wù)邏輯；當(dāng)FPGA重構(gòu)為用戶業(yè)務(wù)邏輯時，上位機軟件發(fā)送UDP重構(gòu)命令，F(xiàn)PGA收到命令后重構(gòu)為遠(yuǎn)程更新邏輯，并實現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)邏輯更新。

圖5 嵌入式內(nèi)核程序流程圖

2.2.4 更新失敗處理

本文方法將Flash區(qū)域劃分為用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域和遠(yuǎn)程更新邏輯區(qū)域，其中后者起始地址為0，使FPGA上電默認(rèn)啟動區(qū)域。當(dāng)對用戶業(yè)務(wù)邏輯區(qū)域進(jìn)行更新時，系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、斷網(wǎng)等突發(fā)情況，導(dǎo)致用戶業(yè)務(wù)邏輯更新失敗，此時并沒有操作遠(yuǎn)程更新邏輯區(qū)域的配置文件；當(dāng)系統(tǒng)重新上電時，F(xiàn)PGA默認(rèn)加載遠(yuǎn)程更新邏輯，可以繼續(xù)實現(xiàn)對用戶業(yè)務(wù)邏輯的更新，可見采用遠(yuǎn)程更新邏輯和用戶業(yè)務(wù)邏輯分離設(shè)計的方式有較高的可靠性。

3 試驗結(jié)果

為了驗證本文方法，以一型導(dǎo)航雷達(dá)信號處理板卡為硬件平臺，該平臺采用Xilinx V6芯片，編寫了遠(yuǎn)程更新程序和雷達(dá)信號處理程序。由于系統(tǒng)的小型化，沒有采用DDR芯片，遠(yuǎn)程更新程序使用FPGA芯片內(nèi)部Block Ram作為MicroBlaze程序運存，消耗17 203個寄存器、17 316個查找表以及296個RAMB36E1，其中使用的存儲資源約占整個芯片存儲資源的27%，而用戶業(yè)務(wù)程序中使用的重構(gòu)模塊僅使用了31個寄存器和70個查找表。可以看出，本文方法大大減少了遠(yuǎn)程更新功能對用戶業(yè)務(wù)邏輯的占用。采用本文方法對15 MB大小的bin文件進(jìn)行遠(yuǎn)程更新僅需40 s，較采用JTAG下載線方式有明顯優(yōu)勢。由于采用TCP協(xié)議傳輸文件流時，協(xié)議本身具備校驗和重發(fā)機制，因此本文方法可靠性較高，能為采用單片F(xiàn)PGA的小型化系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程更新功能。

4 結(jié)束語

本文基于重構(gòu)的FPGA遠(yuǎn)程更新方法利用FPGA的MultiBoot功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新程序和用戶業(yè)務(wù)程序的分離式設(shè)計，減小遠(yuǎn)程更新功能對資源的占用，不需要設(shè)計額外微處理芯片電路進(jìn)行輔助，同時與用戶業(yè)務(wù)程序共用相同的網(wǎng)絡(luò)鏈路，利于設(shè)備小型化、低成本設(shè)計。目前該方法已應(yīng)用于雷達(dá)產(chǎn)品，為其提供了穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程更新功能。