FPGA多重加載技術(shù)的設(shè)計(jì)模塊及其在硬件平臺上的多模式啟動(dòng)測試并分析

摘 要： Xilinx 7系列FPGA是Xilinx公司最新推出的一個(gè)芯片系列，Kintex7是該系列芯片中的一種，擁有大量的可編程資源。即便如此，在一些多模式的大型復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，芯片的資源還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)需求。FPGA的多重加載可以解決可編程資源不足的難題。FPGA多重加載是將設(shè)計(jì)的多個(gè)模式的比特文件存儲(chǔ)到Flash，用戶可以根據(jù)需要選擇加載不同模式的比特文件。FPGA的多重加載解決了可編程資源不足的問題，提高了FPGA可編程資源的利用率。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，多模式通信體制在現(xiàn)代通信中廣泛存在，如時(shí)分多址、空分多址、空分多址、頻分多址等。而調(diào)制、解調(diào)技術(shù)又分為FM、FSK、BPSK、QPSK等多種調(diào)制及解調(diào)技術(shù)。在一個(gè)通信系統(tǒng)中往往采用多種通信模式，這對硬件設(shè)備資源提出了比較高的要求，特別是對可編程芯片資源的要求。另外，多模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也大大提高，同時(shí)對系統(tǒng)的維護(hù)和升級提出了挑戰(zhàn)。

近些年FPGA技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其作為可編程資源廣泛應(yīng)用在大型復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。盡管FPGA在資源集成度方面近些年取得了可觀的成果，但是在多模式的大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片F(xiàn)PGA資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足設(shè)計(jì)需求，有時(shí)可能需要多個(gè)芯片。然而FPGA價(jià)格相對較高，這大大提高了設(shè)計(jì)成本，而且不易于產(chǎn)品升級和維護(hù)。

FPGA多重加載技術(shù)[1-2]實(shí)際是對可編程資源的復(fù)用，用戶可以根據(jù)需求選擇加載不同的比特文件，從而實(shí)現(xiàn)多模式功能。FPGA多重加載技術(shù)可以解決可編程資源不足的問題，提高了可編程資源的利用率，同時(shí)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，減小了多模式系統(tǒng)的耦合性，便于系統(tǒng)升級和維護(hù)。

Kintex7和SPI Flash物理連接的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。SPI Flash的容量選擇與設(shè)計(jì)的加載模式的個(gè)數(shù)和FPGA芯片的種類有關(guān)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4種模式切換，SPI Flash內(nèi)存儲(chǔ)4個(gè)比特文件，SPI Flash的容量是512 Mbit。

控制部分的設(shè)計(jì)是基于PowerPC[3]處理器實(shí)現(xiàn)的，用于對整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，這里只對FPGA模式加載控制做簡單說明。FPGA的加載模式控制信息由上位機(jī)發(fā)送，上位機(jī)的1 G（TCP協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)將加載模式控制信息發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的1 G網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制部分解析TCP數(shù)據(jù)包,提取有效信息，判斷加載模式，將加載信息通過EPC(外設(shè)控制器)寫到FPGA的寄存器中，Kintex7會(huì)根據(jù)寄存器中的值選擇加載模式。外設(shè)控制器（EPC）是FPGA與PowerPC之間通信的橋梁，在重加載控制過程中主要負(fù)責(zé)傳遞加載模式信息到FPGA寄存器內(nèi)，另外還需要將加載成功后的模式信息進(jìn)行回讀，并且通過1 G網(wǎng)絡(luò)送到上位機(jī)界面，判斷是否重加載成功。嵌入式控制部分的設(shè)計(jì)如圖2所示。

IRPOG命令序列是實(shí)現(xiàn)FPGA重加載的重要環(huán)節(jié)。IPROG命令的效果與在PROGRAM_B引腳產(chǎn)生一個(gè)脈沖的效果類似，但是IPROG命令不對重配置[4]邏輯進(jìn)行復(fù)位。Kintex7內(nèi)部ICAPE2模塊能夠執(zhí)行IPROG命令，IPROG命令觸發(fā)FPGA從SPI Flash中重新加載比特文件，加載地址是Kintex7中WBSTAR寄存器指定的地址。IPROG命令發(fā)送后，F(xiàn)PGA完成3個(gè)動(dòng)作：發(fā)送同步字節(jié)（AA995566）；向Kintex7的WBSTAR寄存器寫入下一個(gè)加載地址(表1地址為00000000)；發(fā)送IPORG命令(0000000F)。表1是通過ICAPE2向重配置模塊發(fā)送IPROG命令的比特流，MulTIboot[5]控制器用一個(gè)狀態(tài)機(jī)向ICAPE2發(fā)送表1中的IPROG命令序列。一般情況下，重配置控制器等待外部的激勵(lì)信號，當(dāng)激勵(lì)信號到達(dá)后，控制器向ICAPE2發(fā)送表1命令序列，在發(fā)送命令序列之前，控制器先把WRITE端口置為低電平，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿把CE端口置為低電平，接下來發(fā)送表1指令序列。

FPGA內(nèi)的重配置邏輯接收到IPROG命令后，F(xiàn)PGA執(zhí)行復(fù)位操作，但不對重配置邏輯進(jìn)行復(fù)位，并且將INIT_B和DONE引腳拉低。FPGA清除了所有的配置存儲(chǔ)后，INIT_B端口被拉高。最后，WBSTAR寄存器的值被用來重新配置FPGA。

IPROG命令序列通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)中最少有8個(gè)狀態(tài)才能生成整個(gè)IPROG命令序列，否則，IPROG命令序列不能夠生成，F(xiàn)PGA不能重新配置。另外，IPROG命令的發(fā)送由ICAPE2模塊執(zhí)行，ICAPE2模塊的輸出時(shí)序和SelectMAP的輸出時(shí)序是一致的，SelectMAP的輸出數(shù)據(jù)格式是位轉(zhuǎn)換格式，所以IPROG命令序列生成的過程中需要將配置數(shù)據(jù)進(jìn)行位轉(zhuǎn)換。這里位轉(zhuǎn)換是指字節(jié)內(nèi)位轉(zhuǎn)換，即最高有效位變?yōu)樽畹陀行?，以此為?guī)則進(jìn)行字節(jié)內(nèi)的位互換。位轉(zhuǎn)換結(jié)果如表2所示。