星载环境FPGA软件在轨重加载的一种方法

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。
关键词：FPGA；在轨重加载；在轨编程；星载环境

0 引言
    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。
    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。

1 FPGA加载原理
    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。
    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。

   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。
    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。

    根据图1和图2，Slave SelelctMAP模式下，FPGA加载过程描述如下：
    第1阶段：启动和初始化，分为3个步骤：
    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。
    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。
    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。

2 硬件电路设计
    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。

    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。
    各功能单元的功能和性能描述如下：
    (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。
    (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。
    (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。
    (4)自举配置单元：即PROM，保存预先装好的FPGA配置数据。
    (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。
    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：
    (1)上电过程直接通过PROM对FPGA进行配置加载；
    (2)上电过程直接通过DSP片外FLASH对FPGA进行配置加载；
    (3)DSP实时接收星上控制计算机传送的配置数据，实现对FPGA的配置加载；
    (4)DSP实时接收星上控制计算机传送的配置数据，将其烧写至PROM；
    (5)DSP实时接收星上控制计算机传送的配置数据，将其烧写至FLASH。

3 软件设计
3．1 DSP软件设计实现
    系统上电之后，DSP上电后，首先进行状态检测，判断上电时是PROM串行加载还是FLASH并行加载。然后，星上控制计算机通过1553B接口向DSP传送FPGA配置数据，并发送配置模式控制命令，DSP根据接收的命令选择配置方式，按照配置时序向CPLD的相应寄存器写配置数据以及配置控制信号。

    DSP软件功能框图如图5所示，软件主要完成两个功能：功能一为完成1553B接口数据的传输，并存储到SRAM中，然后根据1553B接口的控制命令决定进行配置的方式或者转存到FLASH中；功能二为模块根据命令和FPGA配置时序产生配置信号，并输出给CPLD配置寄存器。
    整个DSP软件程序包含以下几个主要函数：1553B接口数据传输和处理函数、FLASH擦除与装订函数、SelectMap配置函数和中断处理函数。软件从main函数入口开始运行，进行相应的初始化设置和配置，并开启中断，然后进入无限循环状态，等待外部中断的到来并进行相应的中断服务处理。详细软件流程图如图6所示。
3．2 CPLD软件设计实现
    系统上电之后，DSP可以根据实际工作需要给出FPGA的两种加载方式：PROM串行加载、SelectMAP并行加载，两种方式均通过CPLD进行。
    当进行PROM从串模式加载时，配置比特流从PROM中读取，具体加载实现流程如图7所示。

    当CPLD接到DSP发送的进行SelectMAP并行加载命令时，CPLD根据DSP端口的映射进行SelectMAP并行加载，SelectMAP加载具体实现流程如图8所示。
    在SelectMAP并行加载过程中，CPLD负责在DSP和FPGA之间建立一个同步接口，将DSP传送的配置数据包进行相应的处理，生成满足Select MAP加载时序的时钟、数据及控制信号，传输至FPGA，实现对FPGA的SelectMAP加载。
    CPLD软件采用了一个状态机，实现接收DSP命令进行PROM从串加载或者进行SelectMAP并行加载，状态机的流程如图9所示。
3．3 加载文件格式
    对FPGA进行加载的文件格式为*．bin文件，通过bitgen产生，*．bin文件只包含FPGA配置数据，不包含任何文件信息。

4 测试验证
    建立测试环境，利用测试计算机(含1553B板卡及控制软件)模拟星上控制计算机，对该FPGA重加载电
路进行测试，获得如下测试结果：
    (1)在DSP软件中置PROM加载状态，上电后，FPGA从PROM加载，FPGA运行状态正常；
    (2)在DSP软件中置SelectMAP加载状态，上电后，DSP从FLASH中读取配置数据，通过CPLD对FPGA进行加载，FPGA运行状态正常；
    (3)在DSP软件中置SelectMAP加载状态，上电后，测试计算机通过1553B将新的配置数据传输至DSP，DSP通过CPLD对FPGA进行加载，FPGA运行状态正常。
    (4)上电后，测试计算机通过1553B将新的配置数据传输至DSP，DSP将配置数据烧写至FLASH或者PROM，并置加载状态，上电后能实现新配置数据的加载。
    通过以上测试表明，该电路具备FPGA星载环境下的在轨重加载功能。

5 结论
    本文介绍了星载环境下通过1553B接口实现FPGA在轨重加载的方法，并完成了相应的硬件电路设计实现，通过实验室测试验证，证明本文所描述的星载环境FPGA在轨重加载方法设计思想合理可行，不仅能满足星载环境下FPGA软件的更新升级，还能实现FPGA软件功能模块的自身故障修复，并且能灵活地实现卫星应用功能的领域扩展，最大限度提高卫星系统的利用率。