基于大容量FPGA的多節(jié)點系統(tǒng)的遠程升級的實現(xiàn)

　　引言

　　多節(jié)點系統(tǒng)，在目前的很多電子系統(tǒng)應用場合都可以看到。這種多節(jié)點系統(tǒng)由于具有結構可擴展性、功能配置的靈活性以及便于查找故障節(jié)點等良好的可維護性得到了越來越廣泛的應用。通常，多節(jié)點系統(tǒng)各個節(jié)點的主要硬件構成有很大的相似性。特別是近年來， FPGA這個強大的平臺讓多節(jié)點系統(tǒng)各個節(jié)點的硬件構成擁有了更廣泛的通用性。尤其是隨著IP核技術的推廣，再加上一些功能強大的CPU核的出現(xiàn)，如Xilinx公司提供的PicoBlaze和MicroBlaze等，使得目前的許多系統(tǒng)的主要功能都可以由大容量的FPGA實現(xiàn)，而無需再使用比較昂貴的高性能微處理器。

　　對于節(jié)點系統(tǒng)，這將大大降低系統(tǒng)成本。對于由大容量FPGA構成的多節(jié)點系統(tǒng)，系統(tǒng)的升級是一個費時費力的工作。此時，F(xiàn)PGA的遠程升級能力就顯得尤為重要。對于包含ARM、DSP、PowerPC等高性能嵌入式微處理器的多節(jié)點系統(tǒng)，使用這些嵌入式微處理器，采用SELECTMAP對FPGA進行加載并實現(xiàn)遠程升級，無需增加過多的外部器件，是非常經(jīng)濟和高效的。但對于核心器件就是大容量FPGA的系統(tǒng)，如果由FPGA本身來接收升級數(shù)據(jù)并寫入存儲配置數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，一旦升級失敗，將無法再次升級，從而限制了它在許多需要高可靠性要求或者維護人員不便于到達的場合的應用；而如果單純?yōu)榱藢崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠程升級而加入價格昂貴的嵌入式微處理器，又會較大地增加系統(tǒng)成本和復雜性。針對這種情況，筆者設計了利用ATmega64單片機和RS485總線，加上接入以太網(wǎng)的主控計算機構成的遠程升級系統(tǒng)，解決了上述問題。

　　1 系統(tǒng)設計

　　1.1 系統(tǒng)結構設計

　　遠程升級系統(tǒng)主要由一臺接入以太網(wǎng)的主控計算機、半雙工RS485總線以及各個子節(jié)點構成，組成結構如圖1所示。主控計算機通過以太網(wǎng)從外部獲取整個系統(tǒng)各個節(jié)點的升級數(shù)據(jù)，然后通過RS485總線向各個子節(jié)點發(fā)送其對應的升級數(shù)據(jù)，完成多節(jié)點系統(tǒng)的升級。RS485總線采用一主多從的半雙工方式，主控計算機為總線的主控制器，只能由它向各個節(jié)點發(fā)起通信連接，其余子節(jié)點只能響應主控計算機的控制命令。

圖1 多節(jié)點大容量FPGA系統(tǒng)遠程升級系統(tǒng)結構框圖

　　1.2 節(jié)點升級原理

　　各個節(jié)點通過RS485總線與主控計算機相連，在無升級數(shù)據(jù)時，總線可以用來傳輸主控計算機對各個節(jié)點的查詢和控制命令。主控計算機與各個節(jié)點的通信協(xié)議可以采用具有查詢控制幀、應答幀和數(shù)據(jù)幀3種幀類型的協(xié)議。只有主控計算機可以發(fā)送查詢控制幀，查詢或設定各個節(jié)點的遠程升級狀態(tài)或工況信息。子節(jié)點接收主控計算機的命令和數(shù)據(jù)，發(fā)送應答幀，并完成自身的升級。

　　2 子節(jié)點的硬件設計

　　2.1 子節(jié)點硬件結構框圖

　　如圖2所示，以一個由Xilinx公司的XC3S4000大容量FPGA構成的系統(tǒng)為例，遠程升級系統(tǒng)子節(jié)點的硬件電路主要包括： ATmega64單片機，用于存儲大容量FPGA配置數(shù)據(jù)的Flash，以及接入RS485總線的半雙工總線收發(fā)器。ATmega64單片機用于實現(xiàn)對大容量FPGA XC3S4000的加載，以及從RS485總線接收FPGA的升級數(shù)據(jù)并寫入擁有2 MB存儲空間的Flash存儲器SST36VF1601C中。RS485TTL電平變換電路采用RS485收發(fā)器SP485R。

圖2 子節(jié)點硬件結構框圖