摘要：FPGA在空間系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，為了滿足系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性的要求，實(shí)現(xiàn)FPGA軟件的在軌重加載迫在眉睫。根據(jù)FPGA的加載配置原理，以Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA為實(shí)例，介紹了FPGA在軌重加載的硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，該設(shè)計方法合理可行，滿足星載環(huán)境下FPGA軟件在軌編程及重加載的設(shè)計需求。
關(guān)鍵詞：FPGA；在軌重加載；在軌編程；星載環(huán)境

0 引言
    FPGA已經(jīng)廣泛應(yīng)用于星載信號處理系統(tǒng)中，然而其在空間環(huán)境中的可靠性設(shè)計是一個難題。一方面，F(xiàn)PGA軟件可能受到外部空間環(huán)境影響而產(chǎn)生各種問題，特別是單粒子效應(yīng)造成的FPGA程序出錯，其導(dǎo)致的后果是嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的；另一方面，當(dāng)FPGA軟件本身存在設(shè)計缺陷或者由于衛(wèi)星系統(tǒng)改變應(yīng)用需求時，若能實(shí)現(xiàn)星載環(huán)境下FPGA軟件的遠(yuǎn)程更新升級，其軟件系統(tǒng)的生命周期便可以得到延長，同時產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也是不可估量的。
    為此，本文介紹一種星載環(huán)境下FPGA軟件在軌重加載的方法，通過星上系統(tǒng)的1553B接口接收FPGA配置數(shù)據(jù)文件，在DSP和CPLD的控制下，靈活地實(shí)現(xiàn)FPGA程序的在軌編程及重加載。

1 FPGA加載原理
    基于SRAM工藝的FPGA由于在掉電后配置數(shù)據(jù)丟失，因此需要在上電后對其進(jìn)行加載，而配置數(shù)據(jù)被保存在外部的非易失存儲器中。
    Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA通過芯片配置管腳MODE PIN(M0，M1，M2)，可以實(shí)現(xiàn)5種配置模式，詳見表1。

   上述5種模式中，JTAG邊界掃描模式具有最高的優(yōu)先級，其加載方式是通過專用JTAG口對FPGA進(jìn)行訪問。SelectMAP模式實(shí)際上就是并行模式，其加載時的數(shù)據(jù)訪問位寬為8 b，加載過程與串行模式相同。主模式和從模式的區(qū)別在于時鐘是由FPGA自身提供，亦或是外部提供，當(dāng)FPGA主動輸出時鐘時即為主模式，反之即為從模式。
    FPGA的配置過程如圖1所示，主要由3個階段8個步驟組成。FPGA在Slave SelectMAP模式下配置過程中使用的信號包括：PROG_B，INIT_ B，CCLK，CS_B，RDWR_B，DATA[0：7]，BUSY，DONE，其時序關(guān)系如圖2所示。

    根據(jù)圖1和圖2，Slave SelelctMAP模式下，F(xiàn)PGA加載過程描述如下：
    第1階段：啟動和初始化，分為3個步驟：
    FPGA上電正常后，通過PROG_B引腳低脈沖進(jìn)行FPGA異步復(fù)位，使得FPGA內(nèi)部邏輯清零；PROG_B拉高后，停止外部復(fù)位，INIT_B引腳會在自動產(chǎn)生一個由低到高的跳變，指示FPGA內(nèi)部初始化完成，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)下載；FPGA檢測其專用的配置模式管腳M0～M2的電平，從而確定加載模式。
    第2階段：比特流加載，分為4個步驟。INIT_B信號變高后，不需要額外的等待時間，Virtex器件就可以立即開始數(shù)據(jù)的配置。比特流數(shù)據(jù)在外部CCLK信號上升沿按字節(jié)方式置入。其中的Synchronization(同步)、Device ID Check(檢測器件ID號和配置數(shù)據(jù)中的ID號是否匹配)、Load Configuration Data(下載數(shù)據(jù)流)和CRCCheck(CRC校驗(yàn))對用戶是完全透明的，同步字、配置數(shù)據(jù)中ID號和CRC校驗(yàn)和都是在生成配置數(shù)據(jù)文件時和配置數(shù)據(jù)一起打包，嵌入在配置數(shù)據(jù)文件當(dāng)中。
    第3階段：Startup啟動。在成功校驗(yàn)CRC碼位后，F(xiàn)PGA進(jìn)入Startup狀態(tài)。它是由8相狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，中間包括等待DCM鎖相、DCI匹配等幾個狀態(tài)，最后FPGA釋放外部DONE引腳，對外輸出高阻態(tài)，由外部上拉高，指示FPGA加載成功。

2 硬件電路設(shè)計
    本系統(tǒng)硬件組成原理框圖見圖3，主控DSP芯片選用TI公司SMQ320LC31，通過1553B接口實(shí)現(xiàn)與星上控制計算機(jī)的通信，F(xiàn)PGA選用XILINX公司VIRTEX-Ⅱ系列芯片XC2V3000，其配置芯片選用XCF32P，DSP通過CPLD實(shí)現(xiàn)對FPGA加載模式的控制。

    圖3所示的電路框圖可以分為以下功能模塊：配置數(shù)據(jù)接口單元、配置信號發(fā)生單元、時序狀態(tài)轉(zhuǎn)換、自舉配置單元、FPGA功能單元，其邏輯關(guān)系如圖4所示。
    各功能單元的功能和性能描述如下：
    (1)配置數(shù)據(jù)接口單元：該單元通過1553B接口從星上控制計算機(jī)接收FPGA配置數(shù)據(jù)。
    (2)配置信號發(fā)生單元：該單元產(chǎn)生配置FPGA所需的配置數(shù)據(jù)和時序。
    (3)狀態(tài)時序轉(zhuǎn)換單元：該單元一方面實(shí)現(xiàn)FPGA配置方式的狀態(tài)切換：自舉配置；另一方面將配置信號發(fā)生單元產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成FPGA配置接口所需的信號。
    (4)自舉配置單元：即PROM，保存預(yù)先裝好的FPGA配置數(shù)據(jù)。
    (5)FPGA功能單元：即FPGA，接收來自于PROM的配置數(shù)據(jù)或者來自于DSP(經(jīng)過CPLD轉(zhuǎn)換)的配置數(shù)據(jù)。
    該系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，通過DSP和CPLD的靈活控制，可以實(shí)現(xiàn)多種配置模式的切換：
    (1)上電過程直接通過PROM對FPGA進(jìn)行配置加載；
    (2)上電過程直接通過DSP片外FLASH對FPGA進(jìn)行配置加載；
    (3)DSP實(shí)時接收星上控制計算機(jī)傳送的配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對FPGA的配置加載；
    (4)DSP實(shí)時接收星上控制計算機(jī)傳送的配置數(shù)據(jù)，將其燒寫至PROM；
    (5)DSP實(shí)時接收星上控制計算機(jī)傳送的配置數(shù)據(jù)，將其燒寫至FLASH。

3 軟件設(shè)計
3．1 DSP軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)上電之后，DSP上電后，首先進(jìn)行狀態(tài)檢測，判斷上電時是PROM串行加載還是FLASH并行加載。然后，星上控制計算機(jī)通過1553B接口向DSP傳送FPGA配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送配置模式控制命令，DSP根據(jù)接收的命令選擇配置方式，按照配置時序向CPLD的相應(yīng)寄存器寫配置數(shù)據(jù)以及配置控制信號。

    DSP軟件功能框圖如圖5所示，軟件主要完成兩個功能：功能一為完成1553B接口數(shù)據(jù)的傳輸，并存儲到SRAM中，然后根據(jù)1553B接口的控制命令決定進(jìn)行配置的方式或者轉(zhuǎn)存到FLASH中；功能二為模塊根據(jù)命令和FPGA配置時序產(chǎn)生配置信號，并輸出給CPLD配置寄存器。
    整個DSP軟件程序包含以下幾個主要函數(shù)：1553B接口數(shù)據(jù)傳輸和處理函數(shù)、FLASH擦除與裝訂函數(shù)、SelectMap配置函數(shù)和中斷處理函數(shù)。軟件從main函數(shù)入口開始運(yùn)行，進(jìn)行相應(yīng)的初始化設(shè)置和配置，并開啟中斷，然后進(jìn)入無限循環(huán)狀態(tài)，等待外部中斷的到來并進(jìn)行相應(yīng)的中斷服務(wù)處理。詳細(xì)軟件流程圖如圖6所示。
3．2 CPLD軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)上電之后，DSP可以根據(jù)實(shí)際工作需要給出FPGA的兩種加載方式：PROM串行加載、SelectMAP并行加載，兩種方式均通過CPLD進(jìn)行。
    當(dāng)進(jìn)行PROM從串模式加載時，配置比特流從PROM中讀取，具體加載實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

    當(dāng)CPLD接到DSP發(fā)送的進(jìn)行SelectMAP并行加載命令時，CPLD根據(jù)DSP端口的映射進(jìn)行SelectMAP并行加載，SelectMAP加載具體實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。
    在SelectMAP并行加載過程中，CPLD負(fù)責(zé)在DSP和FPGA之間建立一個同步接口，將DSP傳送的配置數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的處理，生成滿足Select MAP加載時序的時鐘、數(shù)據(jù)及控制信號，傳輸至FPGA，實(shí)現(xiàn)對FPGA的SelectMAP加載。
    CPLD軟件采用了一個狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)接收DSP命令進(jìn)行PROM從串加載或者進(jìn)行SelectMAP并行加載，狀態(tài)機(jī)的流程如圖9所示。
3．3 加載文件格式
    對FPGA進(jìn)行加載的文件格式為*．bin文件，通過bitgen產(chǎn)生，*．bin文件只包含F(xiàn)PGA配置數(shù)據(jù)，不包含任何文件信息。

4 測試驗(yàn)證
    建立測試環(huán)境，利用測試計算機(jī)(含1553B板卡及控制軟件)模擬星上控制計算機(jī)，對該FPGA重加載電
路進(jìn)行測試，獲得如下測試結(jié)果：
    (1)在DSP軟件中置PROM加載狀態(tài)，上電后，F(xiàn)PGA從PROM加載，F(xiàn)PGA運(yùn)行狀態(tài)正常；
    (2)在DSP軟件中置SelectMAP加載狀態(tài)，上電后，DSP從FLASH中讀取配置數(shù)據(jù)，通過CPLD對FPGA進(jìn)行加載，F(xiàn)PGA運(yùn)行狀態(tài)正常；
    (3)在DSP軟件中置SelectMAP加載狀態(tài)，上電后，測試計算機(jī)通過1553B將新的配置數(shù)據(jù)傳輸至DSP，DSP通過CPLD對FPGA進(jìn)行加載，F(xiàn)PGA運(yùn)行狀態(tài)正常。
    (4)上電后，測試計算機(jī)通過1553B將新的配置數(shù)據(jù)傳輸至DSP，DSP將配置數(shù)據(jù)燒寫至FLASH或者PROM，并置加載狀態(tài)，上電后能實(shí)現(xiàn)新配置數(shù)據(jù)的加載。
    通過以上測試表明，該電路具備FPGA星載環(huán)境下的在軌重加載功能。

5 結(jié)論
    本文介紹了星載環(huán)境下通過1553B接口實(shí)現(xiàn)FPGA在軌重加載的方法，并完成了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，證明本文所描述的星載環(huán)境FPGA在軌重加載方法設(shè)計思想合理可行，不僅能滿足星載環(huán)境下FPGA軟件的更新升級，還能實(shí)現(xiàn)FPGA軟件功能模塊的自身故障修復(fù)，并且能靈活地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星應(yīng)用功能的領(lǐng)域擴(kuò)展，最大限度提高衛(wèi)星系統(tǒng)的利用率。