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作者:李吉锋,杨 刚,王 戈,王建宏 发布时间:2012-07-27 13:43:54 来源: 繁体版
摘要:FPGA在空间系统中已经广泛应用,为了满足系统可靠性和可扩展性的要求,实现FPGA软件的在轨重加载迫在眉睫。根据FPGA的加载配置原理,以Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA为实例,介绍了FPGA在轨重加载的硬件电路设计以及软

摘要:FPGA在空间系统中已经广泛应用,为了满足系统可靠性和可扩展性的要求,实现FPGA软件的在轨重加载迫在眉睫。根据FPGA的加载配置原理,以Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA为实例,介绍了FPGA在轨重加载的硬件电路设计以及软件设计。经过实验室测试验证,该设计方法合理可行,满足星载环境下FPGA软件在轨编程及重加载的设计需求。pw6自动化在线网
关键词:FPGA;在轨重加载;在轨编程;星载环境pw6自动化在线网
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0 引言pw6自动化在线网
    FPGA已经广泛应用于星载信号处理系统中,然而其在空间环境中的可靠性设计是一个难题。一方面,FPGA软件可能受到外部空间环境影响而产生各种问题,特别是单粒子效应造成的FPGA程序出错,其导致的后果是严重的甚至是灾难性的;另一方面,当FPGA软件本身存在设计缺陷或者由于卫星系统改变应用需求时,若能实现星载环境下FPGA软件的远程更新升级,其软件系统的生命周期便可以得到延长,同时产生的经济效益也是不可估量的。pw6自动化在线网
    为此,本文介绍一种星载环境下FPGA软件在轨重加载的方法,通过星上系统的1553B接口接收FPGA配置数据文件,在DSP和CPLD的控制下,灵活地实现FPGA程序的在轨编程及重加载。pw6自动化在线网
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1 FPGA加载原理pw6自动化在线网
    基于SRAM工艺的FPGA由于在掉电后配置数据丢失,因此需要在上电后对其进行加载,而配置数据被保存在外部的非易失存储器中。pw6自动化在线网
    Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA通过芯片配置管脚MODE PIN(M0,M1,M2),可以实现5种配置模式,详见表1。pw6自动化在线网

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   上述5种模式中,JTAG边界扫描模式具有最高的优先级,其加载方式是通过专用JTAG口对FPGA进行访问。SelectMAP模式实际上就是并行模式,其加载时的数据访问位宽为8 b,加载过程与串行模式相同。主模式和从模式的区别在于时钟是由FPGA自身提供,亦或是外部提供,当FPGA主动输出时钟时即为主模式,反之即为从模式。pw6自动化在线网
    FPGA的配置过程如图1所示,主要由3个阶段8个步骤组成。FPGA在Slave SelectMAP模式下配置过程中使用的信号包括:PROG_B,INIT_ B,CCLK,CS_B,RDWR_B,DATA[0:7],BUSY,DONE,其时序关系如图2所示。pw6自动化在线网

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    根据图1和图2,Slave SelelctMAP模式下,FPGA加载过程描述如下:pw6自动化在线网
    第1阶段:启动和初始化,分为3个步骤:pw6自动化在线网
    FPGA上电正常后,通过PROG_B引脚低脉冲进行FPGA异步复位,使得FPGA内部逻辑清零;PROG_B拉高后,停止外部复位,INIT_B引脚会在自动产生一个由低到高的跳变,指示FPGA内部初始化完成,可以进行数据下载;FPGA检测其专用的配置模式管脚M0~M2的电平,从而确定加载模式。pw6自动化在线网
    第2阶段:比特流加载,分为4个步骤。INIT_B信号变高后,不需要额外的等待时间,Virtex器件就可以立即开始数据的配置。比特流数据在外部CCLK信号上升沿按字节方式置入。其中的Synchronization(同步)、Device ID Check(检测器件ID号和配置数据中的ID号是否匹配)、Load Configuration Data(下载数据流)和CRCCheck(CRC校验)对用户是完全透明的,同步字、配置数据中ID号和CRC校验和都是在生成配置数据文件时和配置数据一起打包,嵌入在配置数据文件当中。pw6自动化在线网
    第3阶段:Startup启动。在成功校验CRC码位后,FPGA进入Startup状态。它是由8相状态机实现的,中间包括等待DCM锁相、DCI匹配等几个状态,最后FPGA释放外部DONE引脚,对外输出高阻态,由外部上拉高,指示FPGA加载成功。pw6自动化在线网
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2 硬件电路设计pw6自动化在线网
    本系统硬件组成原理框图见图3,主控DSP芯片选用TI公司SMQ320LC31,通过1553B接口实现与星上控制计算机的通信,FPGA选用XILINX公司VIRTEX-Ⅱ系列芯片XC2V3000,其配置芯片选用XCF32P,DSP通过CPLD实现对FPGA加载模式的控制。pw6自动化在线网

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    图3所示的电路框图可以分为以下功能模块:配置数据接口单元、配置信号发生单元、时序状态转换、自举配置单元、FPGA功能单元,其逻辑关系如图4所示。pw6自动化在线网

    各功能单元的功能和性能描述如下:pw6自动化在线网
    (1)配置数据接口单元:该单元通过1553B接口从星上控制计算机接收FPGA配置数据。pw6自动化在线网
    (2)配置信号发生单元:该单元产生配置FPGA所需的配置数据和时序。pw6自动化在线网
    (3)状态时序转换单元:该单元一方面实现FPGA配置方式的状态切换:自举配置;另一方面将配置信号发生单元产生的信号转换成FPGA配置接口所需的信号。pw6自动化在线网
    (4)自举配置单元:即PROM,保存预先装好的FPGA配置数据。pw6自动化在线网
    (5)FPGA功能单元:即FPGA,接收来自于PROM的配置数据或者来自于DSP(经过CPLD转换)的配置数据。pw6自动化在线网
    该系统在实际工作过程中,通过DSP和CPLD的灵活控制,可以实现多种配置模式的切换:pw6自动化在线网
    (1)上电过程直接通过PROM对FPGA进行配置加载;pw6自动化在线网
    (2)上电过程直接通过DSP片外FLASH对FPGA进行配置加载;


星载环境FPGA软件在轨重加载的一种方法
  
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