FPGA分布式系統(tǒng)的固件升級設計

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)調試時，只需要連接聯合測試工作組（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，不同的設備要求不同，不具備通用性[3]。同時部分升級系統(tǒng)只側重網絡上單個FPGA固件升級設計的實現，規(guī)避應用環(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)結合了當前較為成熟的技術解決方案，以萬兆以太網[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)適用于對數據吞吐量和處理性能要求都較高的系統(tǒng)。

2 硬件體系結構

2.1 子系統(tǒng)硬件體系結構

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的硬件連接關系，其余與應用相關的外設連接關系不予討論。該子系統(tǒng)是典型的DSP+FPGA構架，對系統(tǒng)中主要器件以及連接關系進行簡要說明，同樣與應用相關的作用也不予討論。

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）總線讀取固件數據，并存儲到Flash中，在子系統(tǒng)上電啟動時，將Flash中的固件數據發(fā)送至EMIF總線，協(xié)FPGA總線通過SelectMap驅動將EMIF固件數據發(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)提供萬兆以太網的組網能力。協(xié)FPGA主要完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、異常處理、接口驅動、電平轉換等功能，這里對電平轉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，必須經過電平轉換。由于EMIF總線的I/O數多，需要使用多片電平轉換芯片，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總線電平轉換的功能。

2.2 系統(tǒng)級硬件體系結構

系統(tǒng)級硬件框圖如圖2所示，該系統(tǒng)由PC上位機、萬兆以太網交換機與子系統(tǒng)構成，在進行系統(tǒng)聯調或維護升級時，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)結構

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軟件構成，框圖中與固件升級系統(tǒng)無關的軟件連接關系均用虛線表示。

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）等可通過產生對應的時序來完成對FPGA的加載，這是完成本系統(tǒng)功能的重要技術之一，系統(tǒng)軟件框圖中的SelectMAP驅動就是將EMIF總線的數據轉換為SelectMAP配置時序，從而實現DSP配置FPGA比特流的功能。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

3.2 萬兆以太網硬件協(xié)議棧

萬兆以太網硬件協(xié)議棧的技術可參閱文獻[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）、用戶數據報（UDP）協(xié)議的基礎之上，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，同時也支持組播組網。在萬兆以太網硬件協(xié)議棧的加持下，子系統(tǒng)具備了強大的組網能力。

3.3 固件升級流程

系統(tǒng)的應用功能是由主DSP和主FPGA的固件來實現的，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：萬兆以太網硬件協(xié)議棧將數據解析后發(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]。所有升級數據幀除了以太網協(xié)議中的校驗外，用戶數據中也包含了校驗，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。

由于應用環(huán)境的多樣性，在一個大系統(tǒng)中所有子系統(tǒng)的應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)送升級數據即可。

第2種，子系統(tǒng)的固件分為幾種類型，按類型分類設置不同的組播IP，上位機向不同的組播IP發(fā)送升級數據，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)送升級數據，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換等功能，在調試穩(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能保證固件數據的正確性，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中的固件數據不完整，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)聯調時是不被允許的，冗余備份則能有效解決該問題。

Flash固件存儲結構如圖6所示，Flash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，并且升級時需要保證更新固件區(qū)固件的完整性。

圖6 Flash固件存儲結構

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 實施結果

基于FPGA構架的固件升級系統(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)構成，雷達在系統(tǒng)聯調時會對子系統(tǒng)的固件或參數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)進行參數的差異化配置，大大減少了系統(tǒng)的調試工作量，加快了聯調進度。

圖7 冗余備份切換機制工作流程

6 結論

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