于志成 劉克 李亮

摘要 衛(wèi)星作為重要的航天器之一，在很多領(lǐng)域中都發(fā)揮了很大的作用，具有代表性的就是信息傳遞、軍事偵察等領(lǐng)域。局部刷新技術(shù)是SRAM型FPGA一種新興的可重配置技術(shù)，它的出現(xiàn)適應(yīng)了現(xiàn)代衛(wèi)星的發(fā)展需求，在本文中，通過(guò)重配置手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)是以FPGA為前提所構(gòu)成的，同時(shí)，對(duì)于微處理器MicroBlaze、AXI總線以及ICAP控制器的使用，進(jìn)行了一定的分析，最后，通過(guò)硬件平臺(tái)的安裝，確保了可重配置系統(tǒng)的順利運(yùn)行，并實(shí)施了對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)等工作，具體為定時(shí)器、IGAP、GPIO以及串口接收和發(fā)送模塊，在設(shè)計(jì)內(nèi)所選擇的設(shè)計(jì)措施，主要為基于EAPR的部分重配置的設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明局部刷新技術(shù)是一種對(duì)抗宇宙空間單粒子效應(yīng)的有效方法，能極大提高航天器的運(yùn)行穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)局部自重構(gòu) 片上可編程系統(tǒng)內(nèi)部配置接口

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也隨之進(jìn)步，規(guī)模不斷擴(kuò)大，并且也能夠更加穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，而宇宙空間中的復(fù)雜環(huán)境也對(duì)航天器的可靠新提出了更高的要求，如何提高電子系統(tǒng)的抗單粒子性能一直是航天工作人員努力的方向。

1 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性簡(jiǎn)介

就系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性來(lái)看，其主要為系統(tǒng)于一定環(huán)境重，能夠于一定時(shí)間中依照已有要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的概率。提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的方法總的來(lái)說(shuō)有兩種：一種是故障預(yù)防，另一種是故障容錯(cuò)。故障預(yù)防是指采取措施防止故障的產(chǎn)生，如使用防輻射指數(shù)較高的芯片和元器件，但就現(xiàn)實(shí)來(lái)看，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一致故障，所以，必須最大程度的取降低出現(xiàn)故障的概率。就故障容錯(cuò)來(lái)看，其主要為通過(guò)冗余的元件或模塊，來(lái)進(jìn)行對(duì)己出現(xiàn)故障的屏蔽，進(jìn)而確保系統(tǒng)的運(yùn)行，如數(shù)傳接口、時(shí)鐘信號(hào)或同步信號(hào)的主備份設(shè)計(jì)，目的就在于一旦主份設(shè)計(jì)發(fā)生故障并失效，可以馬上啟動(dòng)備用設(shè)計(jì)，不至于設(shè)備完全失效。

可以說(shuō)，若某系統(tǒng)于產(chǎn)生部分運(yùn)行性故障的情況下，可以通過(guò)系統(tǒng)中內(nèi)駐的能力，確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)命令的執(zhí)行，發(fā)揮它的程序與輸出功能，那么就可以把這一系統(tǒng)看為故障容錯(cuò)系統(tǒng)。

基于SRAM技術(shù)的FPGA，利用對(duì)芯片重新布局布線和網(wǎng)表數(shù)據(jù)的重載，來(lái)完成對(duì)芯片邏輯功能的相應(yīng)操作，也就是使其現(xiàn)場(chǎng)重構(gòu)。近年來(lái)，隨著FPGA工藝和技術(shù)的不斷進(jìn)步，器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)和緩存邏輯的概念被提出，使得FPGA的局部重構(gòu)手段能夠進(jìn)一步的創(chuàng)新發(fā)展，確保了航天電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提升，

2 FPGA局部刷新的理論依據(jù)

就SRAM型FPGA來(lái)看，其中存在各種資源，具體有配置邏輯塊（CLB）、輸入輸出塊（IOB）、block RAM、時(shí)鐘資源和編程布線等資源。通過(guò)CLB，能夠有效確保用戶所需邏輯功能單元的產(chǎn)生，而通過(guò)IOB，則可以帶來(lái)封裝引腳和內(nèi)部信號(hào)引線的接口。利用可編程互聯(lián)網(wǎng)資源，能夠以布線通道連接可配置原件的輸入和輸出到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，而FPGA完成的邏輯功能，以及其互聯(lián)方式，都和存儲(chǔ)于內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元的數(shù)值有著很大關(guān)聯(lián)，利用配置比特率，確保了此邏輯功能的發(fā)揮，在配置比特率中，存在著配置命令以及數(shù)據(jù)。

就SRAM型FPGA來(lái)看，其配置存儲(chǔ)器的主要構(gòu)成，通常為配置列（ConfigurationColumns）來(lái)實(shí)現(xiàn)，在排列方式上，該配置列表現(xiàn)為垂直陣列，具體見(jiàn)圖1。在配置存儲(chǔ)器內(nèi)，存在著不同的配置列，分別是表現(xiàn)為Center列、兩個(gè)IOB列、CLB列存儲(chǔ)、BlockSelectRAM Content列以及Block SelectRAMInterconnect列，它們所存儲(chǔ)的信息也存在著差異，分別存儲(chǔ)著四個(gè)全局時(shí)鐘的配置信息、位于其間左邊和右邊所有IOB的配置信息、FPGA基本邏輯功能的配置信息、內(nèi)部塊RAM的配置信息以及內(nèi)部塊RAM間互聯(lián)的配置信息。

在配置列內(nèi)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，就其構(gòu)成來(lái)看，通常是由配置幀（Configuration Frames）的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。就配置幀來(lái)看，具體表現(xiàn)為一位比特寬、垂直排列的配置的那遠(yuǎn)，每一個(gè)配置列內(nèi)，所存在的配置幀數(shù)量都是差異的，在配置存儲(chǔ)器內(nèi)，配置幀為其能夠讀寫(xiě)的最小單位，所以，實(shí)現(xiàn)局部刷新的最小單元式配置幀。

在FPGA中，通過(guò)分配于配置列的配置地址，來(lái)進(jìn)行對(duì)配置列的尋址。就FPGA地址空間來(lái)看，它可具體劃分成兩種不同地址，也就是主地址與次地址，在FPGA中，所有的配置列均存在著唯一的主地址空間，在配置列內(nèi)，相應(yīng)的，所有配置幀均存在著唯一的子地址空間。

為確保可以將配置幀更加順利的存儲(chǔ)進(jìn)正確的配置空間，就要合理的使用配置寄存器。利用FPGA的配置數(shù)據(jù)線，能夠進(jìn)行對(duì)內(nèi)部配置寄存器的讀寫(xiě)，以確保均布刷新配置功能的運(yùn)行。

3 使用ICAP接口配置FPGA

在傳統(tǒng)的可重構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)在可編程編輯器外部的處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)配置操作的控制，這一過(guò)程僅可利用FPGA外部配置接口，利用變成電纜，來(lái)完成讀寫(xiě)和寫(xiě)入配置數(shù)據(jù)的操作。但就實(shí)際來(lái)看，這一方式存在著較大的問(wèn)題，容易被系統(tǒng)外設(shè)性能所影響，而且效率也不高。

因此，為解決此問(wèn)題，在SRAM型FPGA以后的FPGA，均存在著ICAP，在FPGA內(nèi)，確保了通過(guò)器內(nèi)嵌處理器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配置數(shù)據(jù)所實(shí)施的操作。在FPGA中，ICAP通常作為硬件原語(yǔ)在其中運(yùn)行，支持用戶進(jìn)行對(duì)其配置數(shù)據(jù)的操作。就協(xié)議來(lái)看，ICAP和SelectMAP有一些共同之處，具體見(jiàn)圖2。

在接口上，ICAP和Slave SelectMAP所存在的差異，具體見(jiàn)表1。其差異體現(xiàn)在前者為內(nèi)部連接可訪問(wèn)，而后者利用FPGA外部的引腳實(shí)現(xiàn)控制。

使用ICAP時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

（1） FPGA配置結(jié)束之后，ICAP、SelectMAP兩者無(wú)法同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)。

在配置文件內(nèi)，若PERSIST位被置為1，在通過(guò)SelectMAP措施實(shí)現(xiàn)配置后，信號(hào)DONE為高電平，而ICAP則停止運(yùn)行;而若PERSIST位被置為O，在通過(guò)SelectMAP措施來(lái)實(shí)現(xiàn)配置后，ICAP將運(yùn)行。

（2）在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，若既配置了JTAG接口，同時(shí)又配置了ICAP接口，需要特別注意。

當(dāng)ICAP在執(zhí)行配置或是讀回配置數(shù)據(jù)的情況下，在其中，JTAP CFG IN、CFGOUT、JSTART、JSHUTDOWN的指令，無(wú)法進(jìn)行對(duì)FPGA的直接發(fā)送;利用JTAG接口，在實(shí)現(xiàn)配置或是回讀配置數(shù)據(jù)后，要實(shí)施有關(guān)ICAP的操作時(shí)，必須要確保配置邏輯為同步狀態(tài);相應(yīng)的，在通過(guò)ICAP接口實(shí)現(xiàn)這一操作時(shí)，同樣應(yīng)該保持同步。

4 基于MicroBlaze的局部刷新系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的自重構(gòu)系統(tǒng)是基于SOPC技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，利用FPGA的可編程特性，配置各個(gè)功能模塊，組成系統(tǒng)硬件平臺(tái)，系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，能夠通過(guò)內(nèi)嵌的軟核或者硬核處理器動(dòng)態(tài)加載配置數(shù)據(jù)，通過(guò)ICAP端口對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行重構(gòu)，使得重構(gòu)系統(tǒng)可以完全在FPGA芯片內(nèi)部完成。

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

將動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)與SOPC嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，就可以設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于SOPC的動(dòng)態(tài)部分自重構(gòu)系統(tǒng)，如圖3所示。

在設(shè)計(jì)內(nèi)，就FPGA在線局部刷新的主控制器的選擇上，采用了MicroBlaze微處理器。就MicroBlaze來(lái)看，作為微處理器IP軟核，它能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入操作，同時(shí)，還能夠與不同外設(shè)IP核共同組建系統(tǒng)級(jí)集成電路，此電路中還存在著用戶IP核。因?yàn)镸icroBlaze處理器可以于FPGA內(nèi)發(fā)揮作用，同時(shí)能夠進(jìn)行對(duì)它外設(shè)IP的合理選用，能夠較好的進(jìn)行對(duì)外部電路的控制，所以，在FPGA中，通過(guò)MicroBlaze微處理器，來(lái)實(shí)現(xiàn)其在線局部刷新的控制器，是當(dāng)前人們廣泛認(rèn)可的一種方式。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

4.2.1 軟件整體流程

系統(tǒng)軟件整體流程圖如圖4所示，MicroBlaze系統(tǒng)運(yùn)行后，首先要初始化GPIO，接著要初始化中斷控制器，本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)中斷，一個(gè)timer計(jì)數(shù)器中斷，一個(gè)ICAP中斷，接著查找ICAP控制器，如果找到返回O，沒(méi)找到返回.1。如果找到IC，AP控制器，下一步就是初始化這個(gè)控制器，所有設(shè)備的初始化結(jié)束后，程序進(jìn)入while循環(huán)，等待定時(shí)器中斷產(chǎn)生。

4.2.2 定時(shí)器中斷流程

產(chǎn)生定時(shí)器中斷后，進(jìn)入定時(shí)器中斷函數(shù)。如圖5所示，在函數(shù)中首先重新將與現(xiàn)有功能相同的部分重構(gòu)比特流序列載入到重構(gòu)區(qū)域，然后需要手動(dòng)清除定時(shí)器中斷標(biāo)志位。這一功能用來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA重構(gòu)區(qū)域的定時(shí)自動(dòng)刷新。

4.2.4 載入部分配置比特流的流程

SRAM系列FPGA的比特流文件與以前的FPGA芯片有很大不同，以前的用戶不需要對(duì)FPGA配置流有bit級(jí)的了解就可以完成FPGA的配置。但是，如果想對(duì)FPGA進(jìn)行更深層次的控制，比如設(shè)計(jì)嵌入式配置或回讀操作，就需要了解FPGA配置比特流的格式。

配置比特文件的文件頭部分如圖6所示，Ox0009表示存儲(chǔ)器使用大端模式，即高位在前;后面交替的OXf0Of表示比特文件頭開(kāi)始，用來(lái)同步;Ox0001和后面的Ox61是字母“a”，也是比特文件頭的固定部分;Ox0026和后面的20個(gè)字節(jié)是ncd文件名;從Ox5573到Ox4646為UserID，Ox62為字母"b”，從Ox35到Ox36共14個(gè)字節(jié)表示使用FPGA芯片的型號(hào);Ox0063為字母“c”，從Ox32到Ox31共10個(gè)字節(jié)為比特文件生成的日期;Ox64為字母“d”;Ox32到Ox33共8個(gè)字節(jié)為比特文件生成的準(zhǔn)確時(shí)間;Ox65表示字母“e”;最后的多個(gè)Oxff和OxAA995566表示配置數(shù)據(jù)開(kāi)始。

載入部分重構(gòu)比特流文件的流程圖如圖7所示，首先讀取重構(gòu)序列的頭部信息，其中包含了時(shí)間、設(shè)計(jì)名稱、FPGA芯片型號(hào)、頭部數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和配置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息，然后根據(jù)提取到的頭部數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度跳過(guò)配置數(shù)據(jù)的頭部，接著根據(jù)配置信息的長(zhǎng)度，循環(huán)讀取配置數(shù)據(jù)，每次讀取8位。因?yàn)镸icroBlaze系統(tǒng)總線的寬度為32位，所以要讀取4次并拼湊成32位的并行數(shù)據(jù)，再利用ICAP接口將配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入到配置存儲(chǔ)器中。

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證與分析

本節(jié)的主要任務(wù)是對(duì)本文中設(shè)計(jì)的基于MicroBlaze的局部刷新系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。測(cè)試平臺(tái)整體框圖如圖8所示。

上電后，F(xiàn)PGA將部分重構(gòu)序列保存到block RAM中，根據(jù)設(shè)置的定時(shí)器中斷，定時(shí)自動(dòng)對(duì)FPGA的重構(gòu)區(qū)域進(jìn)行定時(shí)刷新。同時(shí)，在控制器的作用下，LED實(shí)現(xiàn)每秒閃爍一次，表示每秒鐘刷新重構(gòu)區(qū)域一次。

測(cè)試FPGA中的邏輯資源被分為兩部分：靜態(tài)區(qū)域和重構(gòu)區(qū)域;本設(shè)計(jì)中，在靜態(tài)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)占空比為50%，周期為13us的方波;重構(gòu)區(qū)域中局部刷新部分實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)占空比為50%，周期為26us的方波;系統(tǒng)上電后，用示波器觀察靜態(tài)區(qū)域和重構(gòu)區(qū)域發(fā)出的信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在FPGA內(nèi)部配置沒(méi)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的情況下，每秒鐘的定時(shí)局部刷新并不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，如圖9所示;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，重構(gòu)區(qū)域輸出的方波周期發(fā)生變化后，再用重構(gòu)區(qū)域的配置文件對(duì)重構(gòu)區(qū)域刷新，重構(gòu)區(qū)域輸出的方波會(huì)恢復(fù)正常。

6 結(jié)束語(yǔ)

在本文中，通過(guò)基于MicroBlaze軟核處理器的措施，制定了對(duì)SRAM型FPGA實(shí)施局部刷新的系統(tǒng)方案。就該方案來(lái)看，在選擇了MicroBlaze處理器的FPGA嵌入式系統(tǒng)內(nèi)，本方案能夠取得較好的成效。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，可以得知，在芯片內(nèi)，所完成的MicroBlaze處理器核心頻率運(yùn)行在50MHz，同時(shí)，其局部刷新過(guò)程較短，通過(guò)約550us的時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)，并且，此方案還具有很好的執(zhí)行效率，還能夠確保局部刷新能夠符合其相關(guān)要求。在FPGA內(nèi)，因?yàn)镸icroBlaze軟核處理器可以運(yùn)行，因此，在選擇了FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)，本方案的實(shí)施，能夠不借助其他外部控制芯片，有效降低了PCB電路板面積，在確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的同時(shí)，還保證了其效率，應(yīng)用前景在今后將會(huì)更加廣闊。

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