多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法

多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)方法針對(duì)目前廣泛使用的以大容量FPGA實(shí)現(xiàn)主要功能的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)問(wèn)題，提出了一種基于ATmega64單片機(jī)和RS485總線以及接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案具有低成本等顯著的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)單、有效地解決許多場(chǎng)合多節(jié)點(diǎn)、大容量FPGA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)問(wèn)題，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞

多節(jié)點(diǎn)

大容量FPGA

遠(yuǎn)程升級(jí)

ATmega64

RS485引言多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在目前的很多電子系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合都可以看到。這種多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、功能配置的靈活性以及便于查找故障節(jié)點(diǎn)等良好的可維護(hù)性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通常，多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要硬件構(gòu)成有很大的相似性。特別是近年來(lái)，F(xiàn)PGA這個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)讓多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成擁有了更廣泛的通用性。尤其是隨著IP核技術(shù)的推廣，再加上一些功能強(qiáng)大的CPU核的出現(xiàn)，如Xilinx公司提供的PicoBlaze和MicroBlaze等，使得目前的許多系統(tǒng)的主要功能都可以由大容量的FPGA實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需再使用比較昂貴的高性能微處理器。對(duì)于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，這將大大降低系統(tǒng)成本。對(duì)于由大容量FPGA構(gòu)成的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的升級(jí)是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。此時(shí)，F(xiàn)PGA的遠(yuǎn)程升級(jí)能力就顯得尤為重要。對(duì)于包含ARM、DSP、PowerPC等高性能嵌入式微處理器的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，使用這些嵌入式微處理器，采用SELECTMAP對(duì)FPGA進(jìn)行加載并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)，無(wú)需增加過(guò)多的外部器件，是非常經(jīng)濟(jì)和高效的。但對(duì)于核心器件就是大容量FPGA的系統(tǒng)，如果由FPGA本身來(lái)接收升級(jí)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器，一旦升級(jí)失敗，將無(wú)法再次升級(jí)，從而限制了它在許多需要高可靠性要求或者維護(hù)人員不便于到達(dá)的場(chǎng)合的應(yīng)用；而如果單純?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)而加入價(jià)格昂貴的嵌入式微處理器，又會(huì)較大地增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了利用ATmega64單片機(jī)和RS485總線，加上接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)，解決了上述問(wèn)題。1

系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)主要由一臺(tái)接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)、半雙工RS485總線以及各個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)從外部獲取整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的升級(jí)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)RS485總線向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送其對(duì)應(yīng)的升級(jí)數(shù)據(jù)，完成多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的升級(jí)。RS485總線采用一主多從的半雙工方式，主控計(jì)算機(jī)為總線的主控制器，只能由它向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信連接，其余子節(jié)點(diǎn)只能響應(yīng)主控計(jì)算機(jī)的控制命令。

圖1

多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.2

節(jié)點(diǎn)升級(jí)原理各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485總線與主控計(jì)算機(jī)相連，在無(wú)升級(jí)數(shù)據(jù)時(shí)，總線可以用來(lái)傳輸主控計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的查詢和控制命令。主控計(jì)算機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議可以采用具有查詢控制幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀3種幀類(lèi)型的協(xié)議。只有主控計(jì)算機(jī)可以發(fā)送查詢控制幀，查詢或設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程升級(jí)狀態(tài)或工況信息。子節(jié)點(diǎn)接收主控計(jì)算機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答幀，并完成自身的升級(jí)。2

子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)2.1

子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以一個(gè)由Xilinx公司的XC3S4000大容量FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)為例，遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要包括：ATmega64單片機(jī)，用于存儲(chǔ)大容量FPGA配置數(shù)據(jù)的Flash，以及接入RS485總線的半雙工總線收發(fā)器。ATmega64單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量FPGAXC3S4000的加載，以及從RS485總線接收FPGA的升級(jí)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入擁有2MB存儲(chǔ)空間的Flash存儲(chǔ)器SST36VF1601C中。RS485TTL電平變換電路采用RS485收發(fā)器SP485R。

圖2

子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖2.2

子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明在子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，ATmega64單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)升級(jí)功能的關(guān)鍵。ATmega64是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，并且所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega64有如下特點(diǎn)：①64KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，2KB的EEPROM，4KB的SRAM，32個(gè)通用工作寄存器；

②53個(gè)通用I/O口線；

③實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)；

④4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；

⑤2個(gè)USART，面向字節(jié)的雙線串行接口（TWI），1個(gè)SPI串行端口；

⑥8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC；

⑦與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的，可用于訪問(wèn)片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口。ATmega64是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口（或者通用編程器）進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。通過(guò)將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega64成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。利用ATmega64單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量FPGA的遠(yuǎn)程升級(jí)，涉及的主要技術(shù)問(wèn)題有三點(diǎn)：一是如何將ATmega64單片機(jī)接入RS485總線；二是在接收到升級(jí)數(shù)據(jù)后和加載FPGA時(shí)，如何利用ATmega64單片機(jī)對(duì)大容量的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作；三是ATmega64單片機(jī)實(shí)現(xiàn)FPGA的SELECTMAP加載。2.2.1

RS485接口電路設(shè)計(jì)如表1所列，RS485總線標(biāo)準(zhǔn)具有控制方便、價(jià)格低廉以及高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)和寬共模范圍等優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的20年時(shí)間里，建議性標(biāo)準(zhǔn)RS485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。表1

TIA/EIA485串行通信標(biāo)準(zhǔn)的性能

子節(jié)點(diǎn)的ATmega64單片機(jī)通過(guò)Sipex公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的高性能RS485收發(fā)器接入RS485總線。SP485R是一款與流行的標(biāo)準(zhǔn)RS485芯片完全兼容，而且包含更高的ESD保護(hù)和高接收器輸入阻抗等性能的RS485收發(fā)器。接收器輸入高阻抗可以使400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會(huì)引起RS485驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的衰減。該收發(fā)器的特點(diǎn)如下：①允許超過(guò)400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線上；

②接收器輸入高阻抗（標(biāo)準(zhǔn)值RIN=150kΩ）；

③半雙工配置與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳一致；

④共模輸入電壓范圍為-7～+12V；

⑤低功耗（250mW）；

⑥獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器和接收器使能引腳。其典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3

利用SP485R構(gòu)成的半雙工RS485電路ATmega64單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行口通過(guò)RXD直接連接SP485R芯片的RO引腳，通過(guò)TXD直接連接SP485R芯片的DI引腳。由單片機(jī)輸出的R/D信號(hào)直接控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號(hào)為1，SP485R芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)單片機(jī)可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號(hào)為0，SP485R芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，單片機(jī)可以接收來(lái)自RS485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。上拉電阻R1、下拉電阻R2用于保證未連接總線時(shí)的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，以提高每個(gè)RS485節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。6.8V的TVS管V1、V2、V3用來(lái)保護(hù)RS485總線，避免RS485總線受外界干擾時(shí)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。2.2.2

ATmega64存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展ATmega64的尋址空間為64KB，利用ATmega64自身的尋址系統(tǒng)，只能訪問(wèn)0x0000~0xFFFF的地址空間。顯然，這對(duì)于存儲(chǔ)和加載大容量FPGA的配置數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。以Xilinx公司的Spartan3系列FPGA為例，其配置數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間如表2所列。表2

Spartan3系列FPGA配置文件大小

以XC3S4000型FPGA為例，它的配置文件所需的存儲(chǔ)空間約為1.35MB，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了ATmega64單片機(jī)的尋址空間。因此，為了能夠利用ATmega64單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA配置數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，必須對(duì)其尋址空間進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的硬件連接框圖如圖2中的單片機(jī)與Flash的連接部分所示。本設(shè)計(jì)中是使用通用I/O來(lái)擴(kuò)展ATmega64單片機(jī)的尋址空間的。ATmega64單片機(jī)的總尋址空間為64KB，但片內(nèi)4KB的SRAM及各種寄存器占用了前面的部分尋址空間，故其片外存儲(chǔ)器尋址空間是0x1100~0xFFFF。因此將Flash的低15位地址直接接到ATmega64單片機(jī)的低15位地址總線上，其余6位高位地址用單片機(jī)的通用I/O進(jìn)行選擇。尋址時(shí)單片機(jī)的專(zhuān)用地址口只輸出0x8000～0xFFFF的地址數(shù)據(jù)，與通用I/O輸出的地址組合后給出Flash的讀寫(xiě)地址。通過(guò)以上對(duì)ATmega64單片機(jī)尋址空間的擴(kuò)展方法，可以實(shí)現(xiàn)ATmega64單片機(jī)對(duì)合適的Flash存儲(chǔ)器的尋址操作，從而解決了大容量FPGA配置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取問(wèn)題。2.2.3

用ATmega64實(shí)現(xiàn)FPGA的SELECTMAP加載Xilinx公司的Spartan3系列FPGA加載方式分為5種：MasterSerial、SlaveSerial、MasterParallel、SlaveParallel、JTAG。按照FPGA是否控制加載過(guò)程，加載方式可分為Master方式和Slave方式；按照加載數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)位寬，可分為Serial方式和Parallel方式。用于加載的引腳主要有：PROG_B，CCLK，RDWR_B，DONE，INIT_B，CS_B，BUSY，D[0～7]，M[0～2]，HSWAP和JTAG接口（TDI、TMS、TCK、TDO）。加載過(guò)程大體分為3個(gè)步驟：配置的建立、配置數(shù)據(jù)的加載和加載完成。SELECTMAP即SlaveParallel方式，是由外部控制器控制FPGA的加載過(guò)程，并以8位數(shù)據(jù)的形式向FPGA寫(xiě)入加載數(shù)據(jù)的加載方法。圖2中FPGA與ATmega64的連接部分為ATmega64單片機(jī)采用SELECTMAP方式對(duì)FPGA進(jìn)行加載的硬件連接框圖，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：ATmega64通過(guò)將FPGA的PROG_B、CS_B和RDWR_B引腳置低來(lái)開(kāi)啟加載過(guò)程，F(xiàn)PGA在PROG_B置低后開(kāi)始清除內(nèi)部配置RAM，并將INIT_B腳置低。PROG_B重新置1后，在INIT_B由低變高的上升沿，F(xiàn)PGA采樣M[0～2]引腳獲取配置方式信息。ATmega64監(jiān)視FPGA的INIT_B腳，當(dāng)INIT_B腳由低變高時(shí)，說(shuō)明FPGA已經(jīng)完成了內(nèi)部配置RAM的清除工作，并準(zhǔn)備好接收配置數(shù)據(jù)。在ATmega64給出的CCLK配置時(shí)鐘的上升沿，配置數(shù)據(jù)D[0～7]寫(xiě)入配置RAM。當(dāng)FPGA接收完所有的配置數(shù)據(jù)后，DONE引腳被FPGA置為高電平。ATmega64可以通過(guò)監(jiān)視DONE引腳來(lái)判斷FPGA是否加載完成。對(duì)于Spartan3系列的FPGA，如果配置FPGA的CCLK的頻率高于50MHz，則外部控制器還需要監(jiān)視FPGA的BUSY引腳。當(dāng)BUSY腳為高時(shí)，說(shuō)明FPGA還未完成上一個(gè)配置數(shù)據(jù)的處理，此時(shí)外部控制器需要繼續(xù)保持上一個(gè)配置數(shù)據(jù)在D[0～7]引腳，直至BUSY引腳回到低電平。對(duì)于本設(shè)計(jì)的應(yīng)用，ATmega64給出的配置時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)低于50MHz，不必考慮BUSY引腳的控制作用。3

軟件設(shè)計(jì)3.1

主控計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主控制計(jì)算機(jī)的軟件運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)該分為兩種：一是平時(shí)的查詢控制狀態(tài)，用來(lái)查詢和控制系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；二是系統(tǒng)的升級(jí)狀態(tài)，用來(lái)執(zhí)行對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的升級(jí)控制。如圖4所示，這兩種狀態(tài)是可以相互轉(zhuǎn)換的。

圖4

主控計(jì)算機(jī)主要狀態(tài)軟件的查詢控制狀態(tài)，是由系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能決定的，不屬于本文所討論的范疇。在系統(tǒng)的升級(jí)狀態(tài)，主控計(jì)算機(jī)先要通過(guò)以太網(wǎng)獲得系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)，待全部升級(jí)數(shù)據(jù)接收完成后，向系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送升級(jí)指令。節(jié)點(diǎn)響應(yīng)并建立起通信連接后，將該節(jié)點(diǎn)的升級(jí)數(shù)據(jù)全部發(fā)送到該節(jié)點(diǎn)。接下來(lái)，主控計(jì)算機(jī)判斷上一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否為最后一個(gè)需要升級(jí)的節(jié)點(diǎn)，如果不是，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)節(jié)點(diǎn)升級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。系