FPGA遠(yuǎn)程升級技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)

劉永恩，王俊芳

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

FPGA是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢使得FPGA自1985年第一片誕生，在短短20多年內(nèi)廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是通信、信息處理等領(lǐng)域［1］。隨著 FPGA的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工程師們也越來越感到，當(dāng)電路板置入設(shè)備中尤其是當(dāng)這些設(shè)備分布各地且位于較偏僻地域時(shí)，用傳統(tǒng)FPGA升級方法升級帶來的諸多不便。

1 遠(yuǎn)程升級技術(shù)

絕大多數(shù)FPGA均為基于SRAM的工藝，最大特點(diǎn)是掉電數(shù)據(jù)會丟失，無法保存，所以它們的系統(tǒng)除了一個(gè)FPGA器件以外，外部還需要增加一個(gè)配置芯片用于保存編程數(shù)據(jù)，每次上電的時(shí)候都需要從這個(gè)配置芯片將配置數(shù)據(jù)流加載到FPGA，然后才能正常運(yùn)行。FPGA的配置和開發(fā)環(huán)境一般由FPGA器件生產(chǎn)廠商提供或推薦。Altera公司推薦的當(dāng)前FPGA開發(fā)環(huán)境為QuartusII，用于 Altera公司各類FPGA的設(shè)計(jì)、配置等。其中QuartusII中集成的Programmer工具用于FPGA的在線配置或外置掉電不易失器件的燒寫。

Altera公司FPGA器件的配置主要有3種:主動模式、被動模式和聯(lián)合測試行動組(JTAG)模式［2］，其具體說明如表1所示。

表1 Altera FPGA配置簡表

盡管Altera的FPGA器件可以支持表1所示多種配置方法，但受限于芯片支持范圍、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度等因素，真正在工程中被推薦使用的常用方法有:主動串行(AS)方式、被動串行(PS)方式和JTAG下載方式。

FPGA的配置一般是通過計(jì)算機(jī)的并口、網(wǎng)口或通用串行總線(USB)接口經(jīng)專用下載電纜完成。FPGA的遠(yuǎn)程升級就是實(shí)現(xiàn)能從遠(yuǎn)端包括在不用打開設(shè)備機(jī)箱的情況下脫離專用下載電纜就可以完成FPGA的更新。

2 關(guān)鍵技術(shù)

FPGA的遠(yuǎn)程升級需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括配置方式、配置文件、文件傳輸和文件更新等。

2.1 配置方式

2.1.1 JTAG配置方式

JTAG配置方式一般是由調(diào)試主機(jī)通過專用下載纜在線配置，每次掉電，配置數(shù)據(jù)丟失，再次加電時(shí)必須重新配置。為了使FPGA在每次加電時(shí)可以不必采用調(diào)試主機(jī)下載方式而能自動完成配置加載，Altera公司推薦了如下配置方式:采用外接微處理器(或微處理器+復(fù)雜可編程邏輯(EPLD))+通用存儲器實(shí)現(xiàn)，利用微處理器(或微處理器 +EPLD)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)JTAG接口，將通用存儲器中的FPGA配置代碼通過該JTAG接口完成更新［3］。

基于JTAG下載的遠(yuǎn)程升級方案的優(yōu)點(diǎn)是可以采用通用存儲器來存儲FPGA配置代碼。

不足:① 需要增加分離器件微處理器(或EPLD)，增大了電路面積、成本和功耗等;② JTAG接口的技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜;③與通過JTAG接口的編程下載纜方式容易沖突，很難共存，對于單板調(diào)試非常不便。

2.1.2 PS配置方式

PS是并行配置模式，配置速率較高。典型的PS下載電路為:微處理器+通用存儲器+EPLD。EPLD用來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PS接口，微處理器+通用存儲器實(shí)現(xiàn)配置代碼的存儲與控制［4］。

基于PS的遠(yuǎn)程升級方法的優(yōu)點(diǎn)是可以采用通用存儲器來存儲FPGA配置代碼。

不足是需要增加分離器件微處理器(或EPLD)而增大了電路面積、成本和功耗等。

相比較于JTAG方法，PS接口的實(shí)現(xiàn)相對簡單、對于單板調(diào)試影響較小。

2.1.3 AS配置方式

AS下載方式是Altera公司針對其專用的配置代碼存儲Flash芯片EPCS系列推出的下載方法，EPCS系列的存儲容量為4 ～128 Mbit，價(jià)格相對低廉，內(nèi)置配置時(shí)序電路，用戶使用方便，是工程應(yīng)用最為廣泛的配置方法。

基于AS的配置方式不需要增加分離器件，無需設(shè)計(jì)配置接口，有效避免了前2種配置方法的不足，其專用存儲Flash芯片EPCS成本低廉，設(shè)計(jì)簡單，不影響單板調(diào)試，不增加額外的芯片或電路模塊，可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，增加遠(yuǎn)程升級功能對于單板調(diào)試沒有任何影響［5］。

從Cyclone系列FPGA開始，為了配合軟核Nios處理器的靈活應(yīng)用，Altera公司開始在本公司的FPGA器件中集成了一個(gè)叫altasmi_parallel的知識產(chǎn)權(quán)(IP)核。altasmi_parallel可以像雙端口RAM等IP一樣通過內(nèi)置Megawizard工具在設(shè)計(jì)中調(diào)用，提供了一種通過并行數(shù)據(jù)端口對配置芯片EPCS的擦除、寫入和讀取等功能。這樣FPGA設(shè)計(jì)中編寫一個(gè)控制邏輯電路，就可以方便地通過地址數(shù)據(jù)總線這樣一種通用處理器控制模式(GPCM)對其進(jìn)行操作，完成對EPCS的讀寫操作，如采用擦除—寫入—讀出校驗(yàn)的流程，其數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

實(shí)現(xiàn)的邏輯流程圖如圖2所示。

圖1 數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)

圖2 可靠遠(yuǎn)程升級配置方法流程

對于Cyclone III及以后的FPGA器件，還可以采用更為可靠的遠(yuǎn)程配置方案。需要利用Altera公司提供的一個(gè)專用遠(yuǎn)程控制模塊(ALTREMOTE_UPDATE)，將專用串行存儲器件(EPCS)根據(jù)容量和功能需要?jiǎng)澐譃槿舾蓚€(gè)頁，目前最大支持7個(gè)頁，其中頁0存儲成為廠級配置的代碼，可以保證FPGA的基本功能的實(shí)現(xiàn)。其他頁中可以存儲不同的應(yīng)用配置代碼，每次上電時(shí)，根據(jù)遠(yuǎn)程控制寄存器設(shè)定需要選擇的應(yīng)用代碼進(jìn)行配置，當(dāng)應(yīng)用代碼異常時(shí)，看門狗定時(shí)器將會超時(shí)，此時(shí)自動進(jìn)入頁0的廠級配置區(qū)，完成廠級代碼的配置，保證電路的基本功能?？煽窟h(yuǎn)程升級配置方法的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 可靠遠(yuǎn)程升級設(shè)計(jì)

2.2 配置文件

Altera公司FPGA的配置文件格式有:①SRAM目標(biāo)配置文件(.sof)，一般用于JTAG方式在線下載;②編程目標(biāo)文件 (.pof)，一般用于專用配置器件如 EPCS等器件的下載;③ 原始二進(jìn)制文件(.rbf)，用于并行配置方案;④ 原始編程數(shù)據(jù)文件(.rpd)，多用于AS模式對專用配置器件下載;⑤十六進(jìn)制文件(.hex或.hexout)，符合 Intel方式的ASCII編碼文件，多用于采用第三方存儲器件時(shí);⑥ 列表文本文件(.ttf)，用于 FPP、PPS、PPA或 PS配置方案;⑦ 串行位流文件(.sbf)，僅限于用專用BitBlaster下載配置某些 FLEX系列器件時(shí)使用;⑧JAM文件(.jam)，ASCII編碼格式文件，因包含配置器件信息而多用于多器件鏈?zhǔn)脚渲脮r(shí);⑨JAM字節(jié)文件(.jbf)，是字節(jié)格式的JAM文件。

根據(jù)對于配置方式的分析，在FPGA遠(yuǎn)程升級時(shí)需要用到擴(kuò)展名為sof、pof或rpd的配置文件，其中sof和pof文件用于本地配置，rpd文件專門用于遠(yuǎn)程升級。

2.3 文件傳輸

在FPGA的配置代碼向目標(biāo)配置器件的傳輸上，傳統(tǒng)升級方法一般通過主機(jī)的USB接口或計(jì)算機(jī)并口采用對應(yīng)的專用下載電纜傳輸。但RS-232串口和以太網(wǎng)接口應(yīng)用更為普遍。目前基于RS-232串口的常用文件傳輸協(xié)議有協(xié)議和基于以太網(wǎng)接口的FTP協(xié)議。這2種協(xié)議均較成熟，參考設(shè)計(jì)較多，實(shí)現(xiàn)相對容易。

2.3.1 X.Modem協(xié)議

X.Modem協(xié)議最早是用于2臺計(jì)算機(jī)之間通過RS-232異步串口通信進(jìn)行文件傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。使用X.Modem協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。其中，循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)碼是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選;段起始(Section Overhead，SOH)指幀的開頭字節(jié)，代表數(shù)據(jù)幀的第1個(gè)字節(jié);信息包序號，對256取模所得到當(dāng)前包號，第1個(gè)信息包的序號為1，以后依次加1，而信息包序號范圍0～255;信息包序號的補(bǔ)碼，當(dāng)前信息包號的補(bǔ)碼(255減去信息包序號);數(shù)據(jù)區(qū)段，數(shù)據(jù)區(qū)段的長度固定為128 Byte，其內(nèi)容沒有任何限制，可以是文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)，不足128 byte的用16進(jìn)制的0x1A填充。

表2 X.Modem協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式 (單位:Byte)

遠(yuǎn)程升級的單元板一般用于X.Modem協(xié)議的接收處理，其核心是CRC校驗(yàn)，根據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)果啟動重傳要求或接受處理。X.Modem協(xié)議中使用的是CRC-ITU-T校驗(yàn)方式，其生成多項(xiàng)式為:x16+x12+x5+1，用十六進(jìn)制的表示為:0x1021，目前已經(jīng)有很多此種CRC的推薦實(shí)現(xiàn)方式［6］。

2.3.2 文件傳輸協(xié)議(FTP)

FTP是文件傳輸協(xié)議/互連協(xié)議(TCP/IP)協(xié)議簇的一種具體應(yīng)用，是網(wǎng)絡(luò)中極為實(shí)用的服務(wù)之一。它工作在開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的第7層，TCP模型的第4層，即應(yīng)用層，使用TCP傳輸而不是用戶自定義協(xié)議(UDP)，客戶在和服務(wù)器建立連接前要經(jīng)過一個(gè)“三次握手”的過程，保證客戶與服務(wù)器之間的連接是可靠的，而且是面向連接，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠保證。它允許用戶以文件操作的方式(如文件的增、刪、改、查、傳送等)與另一主機(jī)相互通信［7］。

FTP的內(nèi)部協(xié)議命令采用四字符的美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(ASCII)序列，以一個(gè)換行符作為結(jié)束，有些代碼后還會有相應(yīng)的參數(shù)。FTP的連接一般是有2個(gè)連接，一個(gè)是客戶和服務(wù)器傳輸命令的連接，另一個(gè)是數(shù)據(jù)傳送的連接。FTP服務(wù)程序一般會支持2種不同的模式:Port模式和Passive模式［8］。

X.Modem協(xié)議和FTP協(xié)議在主機(jī)側(cè)已經(jīng)集成在多種應(yīng)用軟件如超級終端等，各種參考實(shí)現(xiàn)方式一般也是開源的，非常便于進(jìn)行開發(fā)利用。在實(shí)際應(yīng)用中還可以考慮利用其他方式如基于TCP/IP的UDP方式等。

2.4 文件更新

傳統(tǒng)升級方法的文件更新依賴于專用開發(fā)環(huán)境的進(jìn)程控制，而且對于可靠性要求不高，可以隨時(shí)進(jìn)行重新下載，而遠(yuǎn)程升級則需要有較高的可靠性設(shè)計(jì)作為保障，否則一旦出現(xiàn)升級故障，則必須采用傳統(tǒng)升級方法完成。因此必須采取可靠的校驗(yàn)機(jī)制，在校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)啟動重寫操作或恢復(fù)操作。

2.5 工程應(yīng)用及驗(yàn)證

在大型專用綜合業(yè)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，核心交換機(jī)功能復(fù)雜，整個(gè)設(shè)備超過13塊單元板和20個(gè)FPGA器件，需要經(jīng)常性的進(jìn)行FPGA升級。設(shè)備對外提供RS-232串口和以太網(wǎng)接口，設(shè)備內(nèi)部各單元板之間有專用通信通道。

采用FPGA遠(yuǎn)程升級技術(shù)，可以方便地對設(shè)備內(nèi)各個(gè)FPGA芯片進(jìn)行升級。利用該互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的綜合業(yè)務(wù)支持能力，可以將待升級代碼通過綜合業(yè)務(wù)支持能力傳遞至目標(biāo)設(shè)備，然后利用遠(yuǎn)程升級技術(shù)便可進(jìn)行所有目標(biāo)設(shè)備的FPGA升級。不再需要工程師們奔波在目標(biāo)設(shè)備間，打開設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行繁瑣的本地FPGA升級方式。

3 結(jié)束語

FPGA的遠(yuǎn)程升級是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可以實(shí)現(xiàn)的方法很多，但核心原則就是通過對配置方式的深入研究，以依托一種可靠的便于實(shí)現(xiàn)的文件傳輸協(xié)議，在盡可能不增加電路成本的基礎(chǔ)上完成配置文件的可靠傳輸，然后實(shí)現(xiàn)配置代碼的更新，從而實(shí)現(xiàn)FPGA的升級。遠(yuǎn)程升級技術(shù)一般不需要增加分離器件和專用電路，不增加功耗和成本，不影響基于傳統(tǒng)方法本地升級的單板調(diào)試，為FPGA的升級帶來了很大的便利，已經(jīng)在很多工程中得到成功應(yīng)用。

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