FPGA远程更新重启系统

helendcany

FPGA远程更新重启系统
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1）因为FPGA具有开发周期短，可更新等优点，现在有越来越多的通讯系统采用FPGA作为实际产品方案。已经有大量的FPGA应用到通讯系统中，为了降低系统维护的人力成本，需要能够实现FPGA远程版本更新。本文将以Xilinx Virtex6为例描述如何实现远程FPGA版本更新/重启。
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* c7 W: u1 L& W( y6 O/ s. b2 Q  M2）FPGA加载主要分为2大类，一类是主动模式（master）另一类是从模式（slave）。在主动模式时FPGA会外挂存储器存储FPGA bit映像，FPGA会主动提供时钟访问外部存储器。在从模式时，FPGA作为从设备被挂在控制器CPU上由处理器控制对FPGA编程。上述两种模式中，因为从模式FPGA由外部CPU控制编程，可以通过远程更新CPU文件就可以实现对FPGA的版本更新，非常方便。但是当CPU外挂的FPGA较多时会使系统加载时间过长，降低系统启动速度。这里将利用FPGA多重启（multi-boot）功能实现在主动模式下版本更新。
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$ J* @9 f% I1 x8 i0 X3）远程更新流程

0 Y  _6 A! D2 o9 n! `# g; J! w当系统需要升级时，中心控制系统需要将新的FPGA比特映像文件直接发布到远程子系统，由远程子系统将比特文件更新到非易失存储器。然后由FPGA内部控制逻辑重新启动。比特映像文件更新后，下次上电启动将从新的比特映像文件。

, D+ q& A! O! W图1. FPGA远程更新系统
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. r' h3 R/ |' k# ?8 K3 A  J' A多重启动FPGA介绍

a）多重启动介绍
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VIRTEX6可以支持2套配置文件，第一个版本为安全版本存放在起始位置（spi起始地址为0），第二个版本为最终启动版本。当FPGA启动时，加载控制器会从地址0开始读取加载指令。当读到WBSTAR和IPROG指令时，控制器就跳转到WBSTAR指定的地址读取新的加载指令。在第二个配置文件中不再发IPROG指令，控制其将顺序执行以直到配置文件结束。配置顺序如图2.

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/ e) ?3 c: q: W7 t. S  F图2 对配置文件加载过程

2 Z8 E6 {+ x/ z/ ^  [b）多重启动模块
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i）配置存储器访问接口
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在FPGA配置过程中，FPGA通过指定的配置管脚访问外部非易失存储器，当配置结束后，部分管脚被释放可以用作普通逻辑管脚，但部分FPGA配置管脚是配置专用，在用户应用中是不可见的，需要例化专用模块STARTUP_VIRTEX6才能允许用户逻辑访问这些专用管脚。

! C% z" Y3 K6 Y图3 VIRTEX6访问外部存储器逻辑框图

ii）FPGA重启模块ICAP

4 C) E9 m. G, C& {ICAP_VIRTEX6为用户逻辑提供FPGA加载功能，它的功能与普通上点加载用的SELECTMAP加载功能相同。接口信号见表表2：ICAP_VIRTEX6接口信号

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, Z. M  p! n4 q通过ICAP_VIRTEX6，用户逻辑可以发指令让FPGA从指定的位置重新加载配置文件。加载指令的发送顺序为，
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7 X) `) h, C! I' Z. r; x1.发同步字
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2.将要加载文件的起始地址写道WBSTAR寄存器（WARM Boot Start Address Register）

3.发送IPROG指令

4.FPGA从WBSTAR寄存器指定地址开始读取配置数据。
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下面是一个控制ICAP从地址80000重加载例子

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, f1 z# q! v2 x  e- A( t. S
4 L2 S1 h, y9 H# ~8 r6 q! h& B4）远程更新的可靠性

  g9 I9 h. q- F$ {2 @4 Y4 {在远程更新过程中有多种原因可以造成远端的配置文件出错。比如数据传输错误，所以在跟新完成之后需要回读校验。为了减少传输负载可以采用CRC校验。但是如果在版本更新过程中出现掉电或系统重启，由于非易失存储器中的配置影像文件已经被破坏，远程终端将无法启动。为了避免这种情况的发生，远程终端需要有2套配置文件，当一套配置文件出错时，系统可以回退到备份配置文件启动。这样就可以保证当系统出错时，远程终端仍可以启动，接受控制中心发出的版本更新指令重新进行更新。

内部发重启过程和状态
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% y0 ~3 ~, w( A& Z第1步：第一次FPGA被正确配置，状态如下

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在FALLBACK时，配置文件中的IPROG命令不再起作用。

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