基于大容量FPGA的多節點系統的遠程升級的實現

　　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空間約為1.35 MB，已遠遠超出了ATmega64單片機的尋址空間。因此，為了能夠利用ATmega64單片機來實現對FPGA配置數據的讀寫，必須對其尋址空間進行擴展。擴展的硬件連接框圖如圖2中的單片機與Flash的連接部分所示。

　　本設計中是使用通用I/O來擴展ATmega64單片機的尋址空間的。ATmega64單片機的總尋址空間為64 KB，但片內4 KB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單片機的低15位地址總線上，其余6位高位地址用單片機的通用I/O進行選擇。尋址時單片機的專用地址口只輸出0x8000～0xFFFF的地址數據，與通用I/O輸出的地址組合后給出Flash的讀寫地址。

　　通過以上對ATmega64單片機尋址空間的擴展方法，可以實現ATmega64單片機對合適的Flash存儲器的尋址操作，從而解決了大容量FPGA配置數據的存儲和讀取問題。

　　2.2.3 用ATmega64實現FPGA的SELECTMAP加載

　　Xilinx公司的Spartan3系列FPGA加載方式分為5種： Master Serial、Slave Serial、Master Parallel、Slave Parallel、JTAG。

　　按照FPGA是否控制加載過程，加載方式可分為Master方式和Slave方式；按照加載數據時的數據位寬，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）。加載過程大體分為3個步驟：配置的建立、配置數據的加載和加載完成。

　　SELECTMAP即Slave Parallel方式，是由外部控制器控制FPGA的加載過程，并以8位數據的形式向FPGA寫入加載數據的加載方法。圖2中FPGA與ATmega64的連接部分為ATmega64單片機采用SELECTMAP方式對FPGA進行加載的硬件連接框圖，具體實現過程如下：

　　ATmega64通過將FPGA的PROG_B、CS_B和RDWR_B引腳置低來開啟加載過程，FPGA在PROG_B置低后開始清除內部配置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，FPGA采樣M[0～2]引腳獲取配置方式信息。ATmega64監視FPGA的INIT_B腳，當INIT_B腳由低變高時，說明FPGA已經完成了內部配置RAM的清除工作，并準備好接收配置數據。在ATmega64給出的CCLK配置時鐘的上升沿，配置數據D[0～7]寫入配置RAM。當FPGA接收完所有的配置數據后，DONE引腳被FPGA置為高電平。ATmega64可以通過監視DONE引腳來判斷FPGA是否加載完成。對于Spartan3系列的FPGA，如果配置FPGA的CCLK的頻率高于50 MHz，則外部控制器還需要監視FPGA的BUSY引腳。當BUSY腳為高時，說明FPGA還未完成上一個配置數據的處理，此時外部控制器需要繼續保持上一個配置數據在D[0～7]引腳，直至BUSY引腳回到低電平。對于本設計的應用，ATmega64給出的配置時鐘頻率遠低于50 MHz，不必考慮BUSY引腳的控制作用。

　　3 軟件設計

　　3.1 主控計算機的軟件設計

　　主控制計算機的軟件運行狀態應該分為兩種：一是平時的查詢控制狀態，用來查詢和控制系統中各個節點的工作狀態；二是系統的升級狀態，用來執行對各個子節點的升級控制。如圖4所示，這兩種狀態是可以相互轉換的。

圖4 主控計算機主要狀態

　　軟件的查詢控制狀態，是由系統所要實現的主要功能決定的，不屬于本文所討論的范疇。在系統的升級狀態，主控計算機先要通過以太網獲得系統各個節點的遠程升級數據，待全部升級數據接收完成后，向系統的一個節點發送升級指令。節點響應并建立起通信連接后，將該節點的升級數據全部發送到該節點。接下來，主控計算機判斷上一個節點是否為最后一個需要升級的節點，如果不是，則繼續進行下一個節點升級數據的傳輸。系統所有的節點升級完成后，等待外部輸入的控制命令。例如，讓整個系統重新啟動，加載新的數據；或暫時不重新啟動而返回查詢控制狀態。軟件流程如圖5所示。

圖5 系統升級狀態流程

　　3.2 子節點的軟件設計

　　對于子節點的軟件設計，與主控計算機一樣，也分為平時的查詢控制狀態和系統升級狀態，并且它們之間也能夠與主控計算機一起相互轉換；但ATmega64單片機還要承擔對FPGA的加載任務。開機運行后，ATmega64單片機先加載子節點FPGA，使子節點能夠正常工作。子節點正常工作后，監視RS485總線并判斷有無對本節點的通信。當主控計算機要求與本節點建立通信連接時，發送反饋信息，與其建立通信連接。子節點根據主控計算機發送的命令，進入查詢控制模式或者遠程升級模式。進入遠程升級模式后，子節點接收主控計算機發來的遠程升級數據，升級數據經過校驗后寫入Flash。升級完成后繼續等待主控計算機的命令，重新啟動或繼續運行。其具體的軟件設計流程如圖6所示。

圖6 子節點軟件流程

　　結語

　　FPGA既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性的優點，又克服了普通ASIC周期長、投資大、靈活性差的缺點，逐步成為許多系統實現的理想選擇。特別是隨著FPGA容量和性能的提升，加上其獨特的硬件升級能力，其應用范圍越來越廣。本文所提出的對大容量FPGA構成的多節點系統的遠程升級方法，系統構成簡單、技術成熟，而且具有明顯的成本優勢