通用信號處理模塊功能線程動態(tài)重構(gòu)技術(shù)

劉 可

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036)

0 引言

IMA是當(dāng)前航電體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的最高階段［1］，其體系架構(gòu)實現(xiàn)了基于模塊的高度綜合，硬件資源與軟件資源均采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)通過對軟硬件資源進(jìn)行配置及重構(gòu)來實現(xiàn)各項功能線程［2］。在IMA系統(tǒng)中，通用SPM通過加載不同的應(yīng)用程序和配置參數(shù)來實現(xiàn)不同的數(shù)字信號處理功能［3］，其設(shè)計難點在于如何實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的功能線程動態(tài)重構(gòu)和應(yīng)用程序在線更新。目前國內(nèi)航空電子領(lǐng)域已知范圍內(nèi)尚缺乏相關(guān)專門研究和工程實踐。本文介紹了一種機(jī)載通用SPM功能重構(gòu)和代碼更新技術(shù)。通用SPM以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)和高速數(shù)字信號處理器(DSP)為主處理單元，引入應(yīng)用程序3級加載流程，可按照系統(tǒng)指令動態(tài)配置主處理單元，可實現(xiàn)數(shù)10種數(shù)字信號處理功能程序的存儲和加載。

1 通用SPM硬件設(shè)計

通用SPM每個處理通道配備高速LVDS串行解串器(SERDES)［4］、FPGA、DSP 和通用異步收發(fā)器(UART)［5］，此外還有大容量 FLASH 存儲器、SDRAM存儲器、用戶自定義接口以及模塊支持單元。模塊支持單元可由CPLD或小容量FPGA編程實現(xiàn)。通用SPM單處理通道如圖1所示。

FPGA和 DSP是通用 SPM的主處理單元［6］。其中，DSP除了是數(shù)字信號處理的核心器件，還是功能線程動態(tài)重構(gòu)和應(yīng)用程序在線更新的主控器。DSP掛接的FLASH存儲器用于保存各種數(shù)字信號處理功能的DSP和FPGA應(yīng)用程序代碼，此外還存儲功能重構(gòu)和代碼更新所需的自舉加載程序(BOOTLOADER)［7］以及功能管理程序。模塊支持單元主要負(fù)責(zé)在功能重構(gòu)過程中實現(xiàn)FPGA加載接口和加載過程監(jiān)控。SDRAM存儲器為功能管理程序和應(yīng)用程序提供了數(shù)據(jù)暫存空間。

圖1 通用SPM單處理通道

2 功能重構(gòu)和代碼更新解決方案

基于自身具備的自舉加載(BOOTLOAD)［8］能力，DSP成為功能線程動態(tài)重構(gòu)和應(yīng)用程序在線更新的主控器。為了突破DSP自舉加載程序代碼尺寸不能超過1 KB的限制以滿足系統(tǒng)需求，通用SPM采用了應(yīng)用程序3級加載流程。

2．1 DSP 應(yīng)用程序加載流程

通用SPM DSP應(yīng)用程序加載流程分為3個階段:自舉加載程序加載運(yùn)行、功能管理程序加載運(yùn)行和應(yīng)用程序加載運(yùn)行，即3級加載。

通用SPM FLASH存儲器掛接在DSP芯片EMIFB總線CE1空間，DSP通過上拉/下拉電阻配置成從EMIFB總線CE1空間的8 bit ROM上電/復(fù)位自舉加載。FLASH低地址段保存BOOTLOADER程序，BOOTLOADER用匯編語言編寫，編譯后大小不超過1 KB。DSP上電/復(fù)位后，CPU處于“掛起”狀態(tài)，增強(qiáng)型直接存儲器訪問(EDMA)控制器使用默認(rèn)的ROM訪問時序，以單幀數(shù)據(jù)塊傳輸方式自動把FLASH中前1 KB地址單元中存儲的BOOTLOADER代碼拷貝到片內(nèi)程序存儲區(qū)，在此過程中EMIF接口自動把連續(xù)的8 bit字節(jié)組合成32 bit指令字以便EDMA控制器復(fù)制。數(shù)據(jù)塊傳輸結(jié)束后，CPU從“掛起”狀態(tài)中被釋放并從內(nèi)存地址0開始執(zhí)行 BOOTLOADER代碼，該階段為第1級加載［9］。

受限于代碼尺寸，BOOTLOADER的主要任務(wù)是把FLASH中保存的功能管理程序代碼整塊搬移到DSP片內(nèi)程序存儲區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)到功能管理程序起始處執(zhí)行，該階段為第2級加載，功能管理程序可視為第2級BOOTLOADER。

應(yīng)用程序的加載由功能管理程序完成。功能管理程序根據(jù)模塊支持單元CPLD中保存的加載參數(shù)信息，從FLASH中特定存儲空間讀取數(shù)字信號處理應(yīng)用程序代碼并寫入DSP內(nèi)存，校驗正確后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，該階段為第3級加載。至此，DSP應(yīng)用程序加載流程結(jié)束。

2．2 FPGA應(yīng)用程序加載流程

和DSP應(yīng)用程序一樣，F(xiàn)PGA應(yīng)用程序也保存在FLASH存儲器中。FPGA配置模式通過硬件設(shè)定為從并模式(Slave SelectMAP)［10］，由 DSP 充當(dāng)FPGA加載的主控器。DSP在自身加載流程的第2階段運(yùn)行功能管理程序?qū)PGA進(jìn)行配置。一般情況下可將FPGA視為DSP的外設(shè)，因此功能管理程序先配置FPGA，再加載DSP。功能管理程序通過DSP EMIF總線從FLASH中讀出FPGA應(yīng)用程序代碼，然后通過模塊支持單元CPLD寫入FPGA加載端口。CPLD實現(xiàn)DSP EMIF總線至FPGA加載端口之間的接口適配邏輯［11］，F(xiàn)PGA加載如圖2所示。

圖2 FPGA加載

通過CPLD實現(xiàn)的FPGA加載時序如圖3所示。

圖3 FPGA加載時序

2．3 功能線程動態(tài)重構(gòu)流程

系統(tǒng)在需要對通用信號處理模塊進(jìn)行功能重構(gòu)時，首先通過UART接口向DSP發(fā)送功能重構(gòu)指令。DSP當(dāng)前運(yùn)行的應(yīng)用程序接收到該指令后，將指令中包含的關(guān)鍵參數(shù)信息保存在模塊支持單元中，然后通過模塊支持單元發(fā)出DSP復(fù)位信號，啟動DSP加載流程。DSP依次運(yùn)行BOOTLOADER和功能管理程序。功能管理程序根據(jù)模塊支持單元中保存的功能重構(gòu)參數(shù)，從FLASH存儲器中對應(yīng)地址空間讀取用戶程序FPGA和DSP代碼。用戶程序FPGA代碼通過CPLD中的適配邏輯寫入FPGA配置口。FPGA在數(shù)據(jù)加載正確完成后自動啟動配置流程。此后，功能管理程序?qū)⒂脩舫绦駾SP代碼直接寫入DSP內(nèi)存，校驗正確后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。在跳轉(zhuǎn)執(zhí)行DSP應(yīng)用程序前，功能管理程序通過UART接口將功能線程動態(tài)重構(gòu)操作結(jié)果上報系統(tǒng)。功能重構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 功能重構(gòu)流程

2．4 應(yīng)用程序在線更新流程

應(yīng)用程序在線更新流程如圖5所示。

圖5 應(yīng)用程序代碼更新流程

通用SPM在功能重構(gòu)流程中讀取的DSP和FPGA應(yīng)用程序代碼全部存放在大容量FLASH存儲器中。模塊單板調(diào)試時，DSP可掛接仿真器，在PC機(jī)CCStudio開發(fā)環(huán)境中將保存在本地硬盤上的DSP和FPGA應(yīng)用程序代碼燒錄到FLASH內(nèi)。在系統(tǒng)聯(lián)試和維護(hù)的情況下，系統(tǒng)主控可通過UART接口向通用信號處理模塊DSP發(fā)送應(yīng)用程序代碼更新指令。DSP當(dāng)前運(yùn)行的應(yīng)用程序接收到該指令后，將指令中包含的關(guān)鍵參數(shù)信息保存在模塊支持單元中，然后通過模塊支持單元發(fā)出DSP復(fù)位信號，啟動 DSP加載流程。DSP依次運(yùn)行 BOOTLOADER和功能管理程序。功能管理程序解析模塊支持單元中保存的指令參數(shù)，并通過UART接口接收系統(tǒng)下發(fā)的DSP和FPGA應(yīng)用程序代碼數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序代碼以數(shù)據(jù)幀的形式分包傳送，每一幀數(shù)據(jù)內(nèi)含該包數(shù)據(jù)的CRC校驗值。通用SPM將接收到的應(yīng)用程序代碼數(shù)據(jù)暫存在SDRAM存儲器中。校驗無誤后，功能管理程序再將應(yīng)用程序代碼燒寫到FLASH相應(yīng)地址空間中并將操作結(jié)果上報系統(tǒng)主控。

2．5 功能重構(gòu)常見問題

通用SPM功能重構(gòu)有2個常見問題:加載耗時和加載可靠性。

加載耗時受以下因素制約:被加載代碼長度、DSP內(nèi)核時鐘速率和EMIF接口工作速度、FLASH存儲器訪問位寬以及FPGA配置時鐘速率和配置接口位寬。因此，提高加載速度的可行辦法有:提高DSP內(nèi)核和EMIF接口運(yùn)行速度;在功能管理程序開始運(yùn)行后把FLASH訪問位寬從字節(jié)(8 bit)改為字(16 bit);將FPGA配置位寬增大到32 bit并提高配置時鐘速率。

加載可靠性可分為硬件可靠性和操作完備性2個問題。硬件可靠性是指模塊長時間工作以及應(yīng)對極端使用環(huán)境的能力，如高低溫、振動和復(fù)雜電磁環(huán)境。硬件可靠性問題的關(guān)鍵是PCB及其完整性設(shè)計，不僅包括信號完整性、電源完整性，還包括EMC、防護(hù)、熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)和易測試性等內(nèi)容［12］。而操作完備性主要指在功能動態(tài)重構(gòu)過程中嚴(yán)格遵循相關(guān)器件使用要求，做好器件復(fù)位、配置和校驗等操作，最大限度保證器件正?？煽抗ぷ鳌?/p>

3 結(jié)束語

介紹了一種機(jī)載通用SPM功能線程動態(tài)重構(gòu)和應(yīng)用程序在線更新技術(shù)。該技術(shù)采用了特有的應(yīng)用程序3級加載流程以實現(xiàn)系統(tǒng)要求，目前已在一系列工程項目和產(chǎn)品中獲得了成功應(yīng)用。需要特別指出的是，在DSP支持自舉加載功能的前提下，通用SPM主處理單元可根據(jù)應(yīng)用需求靈活選用TI公司的TMS320C64XX和 TMS320C64X+系列各型DSP和XILINX公司的Virtex和Spartan系列各型FPGA。此外，通用SPM與系統(tǒng)主控的通信接口可以換用網(wǎng)絡(luò)接口單元，如TMS320C6455等DSP芯片具備的4路1X RapidIO串行接口或1路4X RapidIO并行接口［13］。通過網(wǎng)絡(luò)接口單元，通用SPM可加入系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)硬件體系架構(gòu)的開放性和可擴(kuò)展性奠定基礎(chǔ)。

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