本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA被廣泛地應(yīng)用于電子電路與系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試階段。FPGA可以支持重復(fù)編程，但掉電后數(shù)據(jù)消失，每次上電后，都需要對(duì)它進(jìn)行重新加載。目前常用的FPGA配置加載方式有兩種：1)FPGA以JTAG方式進(jìn)行加載，使用專用的軟件與硬件下載器將配置文件通過JTAG下載口加載到FPGA中，這種方式只適用于開發(fā)、調(diào)試階段。如果FPGA在沒有加載環(huán)境或者使用不同的配置文件的情況下，這種配置方式難以滿足環(huán)境和應(yīng)用要求。2)基于控制系統(tǒng)及存儲(chǔ)器的配置方式，該種加載系統(tǒng)主要由存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA，控制系統(tǒng)等幾部分組成。存儲(chǔ)器芯片用于存儲(chǔ)配置文件，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器和FPGA進(jìn)行控制。將FPGA配置文件存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器內(nèi)，在上電或者用戶需要配置FPGA時(shí)將存儲(chǔ)器中的文件讀取出，進(jìn)行FPGA的配置。這樣就可以使FPGA工作在沒有外加配置條件的環(huán)境下。簡(jiǎn)化了FPGA在JTAG模式下加載需要的硬件條件，實(shí)用性更強(qiáng)。

目前基于控制系統(tǒng)及存儲(chǔ)器的配置方式只針對(duì)特定存儲(chǔ)器控制單一FPGA進(jìn)行加載，配置加載文件只能在地面通過專用下載器燒寫到存儲(chǔ)器內(nèi)，通過控制存儲(chǔ)器中的配置文件的讀取，對(duì)FPGA進(jìn)行配置加載，無法實(shí)現(xiàn)FPGA的在軌動(dòng)態(tài)配置和自刷新，加載速率一般較低，應(yīng)用局限性較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)及方法，能夠靈活有效對(duì)FPGA進(jìn)行地面和在軌加載和動(dòng)態(tài)自刷新控制，一方面保證了在軌運(yùn)行中的配置文件的可變性，另一方面保證了空間配置的可靠性。

為了達(dá)到上述目的，提出了一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)，包括主機(jī)接口選擇模塊、幀解析模塊、寄存器配置模塊、存儲(chǔ)器控制模塊和FPGA加載控制模塊。主機(jī)接口選擇模塊上行與下載主機(jī)接口和上位機(jī)接口連接，下行與幀解析模塊連接，幀解析模塊與存儲(chǔ)器控制模塊連接，存儲(chǔ)器控制模塊與FPGA加載控制模塊連接，存儲(chǔ)器控制器模塊、FPGA加載控制模塊以及幀解析模塊均與寄存器模塊相連接，存儲(chǔ)器控制器模塊外圍連接若干存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA加載控制模塊外圍連接若干FPGA。

所述主機(jī)接口選擇模塊用于對(duì)多主機(jī)接口進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)切換；

所述幀解析模塊用于實(shí)現(xiàn)與主機(jī)交互的通信協(xié)議命令的解析；

所述寄存器配置模塊用于管理控制系統(tǒng)的寄存器，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行配置和狀態(tài)讀??；

所述存儲(chǔ)器控制模塊用于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問控制；

所述FPGA加載控制模塊用于FPGA的加載和自刷新控制。

所述下載主機(jī)通過并行GPIF接口連接主機(jī)接口選擇模塊；上位機(jī)通過串行UART接口連接主機(jī)接口選擇模塊。

所述存儲(chǔ)器控制模塊支持對(duì)NAND FLASH、NOR FLASH、MRAM和Xilinx原廠PROM四類存儲(chǔ)器的訪問控制。

所述幀解析模塊解析出的通信幀包括幀頭、命令字、數(shù)據(jù)字和校驗(yàn)字四個(gè)部分；

所述幀頭為主機(jī)和配置加載系統(tǒng)的通信標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)識(shí)別到幀頭后確認(rèn)為一次通信傳輸；

所述命令字為根據(jù)系統(tǒng)所有傳輸命令進(jìn)行的編碼，系統(tǒng)通過命令字進(jìn)行命令識(shí)別；

所述數(shù)據(jù)字為傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)；

所述校驗(yàn)字對(duì)命令字和數(shù)據(jù)字進(jìn)行校驗(yàn)，判定本次傳輸?shù)恼_性，根據(jù)校驗(yàn)的正誤向主機(jī)反饋相應(yīng)的信息。

一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下兩種方式：

第一種，通過存儲(chǔ)器配置加載FPGA：FPAG配置加載系統(tǒng)系統(tǒng)接收到通過存儲(chǔ)器配置加載FPGA的命令時(shí)，，該系統(tǒng)向存儲(chǔ)器發(fā)送讀請(qǐng)求將所需要的配置文件讀取出來，按照Slave Selectmap模式的加載時(shí)序，將配置文件加載到FPGA中；

第二種，通過主機(jī)直接配置加載FPGA：FPGA配置加載系統(tǒng)接收到通過主機(jī)直接配置加載FPGA命令時(shí)，該系統(tǒng)直接接收下載主機(jī)或上位機(jī)發(fā)送的配置加載文件，按照Slave Selectmap模式的加載時(shí)序，將配置文件加載到FPGA中。

所述下載主機(jī)選擇并行GPIF接口，用于地面配置文件的下載，上位機(jī)接口選擇串行UART接口，用于系統(tǒng)配置和在軌數(shù)據(jù)傳輸，兩種主機(jī)接口全兼容，通過外部選擇信號(hào)實(shí)現(xiàn)操作互斥，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)切換，根據(jù)需求選擇合適的主機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行通信。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的系統(tǒng)具有多種主機(jī)接口，針對(duì)地面平臺(tái)和星載應(yīng)用進(jìn)行多種接口兼容性控制，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的訪問控制接口，進(jìn)行歸一化訪問處理，極大地提高了產(chǎn)品的通用性和環(huán)境適應(yīng)性；并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電路功能復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有星用Xilinx系列FPGA和配置用存儲(chǔ)器的兼容管理；針對(duì)星用的不同配置加載、定時(shí)刷新和動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略，實(shí)現(xiàn)了所有應(yīng)用要求的多FPGA、多文件、定制策略管理方式；通過數(shù)據(jù)傳輸旁路策略，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了接口直接配置FPGA方式，簡(jiǎn)化了硬件條件，實(shí)現(xiàn)了在軌平臺(tái)的實(shí)時(shí)配置加載控制。

進(jìn)一步的，本發(fā)明支持NAND FLASH、NOR FLASH、MRAM和Xilinx原廠PROM等多種存儲(chǔ)器類型，每個(gè)FPGA可根據(jù)應(yīng)用需求和配置文件大小獨(dú)立選擇使用的存儲(chǔ)器類型，減少了由于存儲(chǔ)器帶來的局限性。

本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器配置FPGA和主機(jī)直接配置FPGA兩種配置加載方式，實(shí)現(xiàn)了在軌平臺(tái)的實(shí)時(shí)配置加載和自刷新控制，針對(duì)地面平臺(tái)和在軌應(yīng)用進(jìn)行接口兼容性控制，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的訪問控制接口，提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性；實(shí)現(xiàn)了對(duì)Xilinx系列FPGA的配置加載和自刷新控制及通用存儲(chǔ)器的兼容管理，本發(fā)明支持多種存儲(chǔ)器類型，每個(gè)FPGA可根據(jù)應(yīng)用需求和配置文件大小獨(dú)立選擇使用的存儲(chǔ)器類型，減少了由于存儲(chǔ)器帶來的局限性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明FPGA配置加載控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明存儲(chǔ)器配置FPGA的示意圖；

圖3為本發(fā)明主機(jī)直接配置FPGA的示意圖；

圖4為本發(fā)明通信幀的格式示意圖；

圖5為本發(fā)明存儲(chǔ)器控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明片選產(chǎn)生示意圖；

圖7為本發(fā)明FPGA配置加載接口連接方式示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參見圖1，一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)，包括主機(jī)接口選擇模塊、幀解析模塊、寄存器配置模塊、存儲(chǔ)器控制模塊和FPGA加載控制模塊。主機(jī)接口選擇模塊上行與下載主機(jī)接口和上位機(jī)接口連接，下行與幀解析模塊連接，幀解析模塊與存儲(chǔ)器控制模塊連接，存儲(chǔ)器控制模塊與FPGA加載控制模塊連接，存儲(chǔ)器控制器模塊、FPGA加載控制模塊以及幀解析模塊均與寄存器模塊相連接，存儲(chǔ)器控制器模塊外圍連接若干存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA加載控制模塊外圍連接若干FPGA。

主機(jī)接口選擇模塊用于對(duì)多主機(jī)接口進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)切換；

幀解析模塊用于實(shí)現(xiàn)與主機(jī)交互的通信協(xié)議命令的解析；

寄存器配置模塊用于管理控制系統(tǒng)的寄存器，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行配置和狀態(tài)讀??；

存儲(chǔ)器控制模塊用于對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問控制；

FPGA加載控制模塊用于FPGA的加載和自刷新控制。

下載主機(jī)通過并行GPIF接口連接主機(jī)接口選擇模塊；上位機(jī)通過串行UART接口連接主機(jī)接口選擇模塊。

優(yōu)選的，存儲(chǔ)器控制模塊支持對(duì)NAND FLASH、NOR FLASH、MRAM和Xilinx原廠PROM四類存儲(chǔ)器的訪問控制。

儲(chǔ)存器采用NAND FLASH、NOR FLASH、MRAM和Xilinx原廠PROM四類存儲(chǔ)器。

系統(tǒng)外圍部件主要有存儲(chǔ)器芯片、主機(jī)和FPGA，存儲(chǔ)器芯片負(fù)責(zé)存儲(chǔ)FPGA的配置文件；主機(jī)作為系統(tǒng)訪問控制的媒介，發(fā)送命令控制配置加載系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作。本配置加載系統(tǒng)作為邏輯控制端，對(duì)主機(jī)的命令進(jìn)行解析，并且與主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互通信。

參見圖2和圖3，一種面向FPGA的多路通用化配置加載控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下兩種方式：

第一種，通過存儲(chǔ)器配置加載FPGA：FPAG配置加載系統(tǒng)系統(tǒng)接收到通過存儲(chǔ)器配置加載FPGA的命令時(shí)，該系統(tǒng)向存儲(chǔ)器發(fā)送讀請(qǐng)求將所需要的配置文件讀取出來，按照Slave Selectmap模式的加載時(shí)序，將配置文件加載到FPGA中；

第二種，通過主機(jī)直接配置加載FPGA：FPGA配置加載系統(tǒng)接收到通過主機(jī)直接配置加載FPGA命令時(shí)，該系統(tǒng)直接接收下載主機(jī)或上位機(jī)發(fā)送的配置加載文件，按照Slave Selectmap模式的加載時(shí)序，將配置文件加載到FPGA中。

配置加載系統(tǒng)主機(jī)接口控制模塊實(shí)現(xiàn)兩路主機(jī)對(duì)系統(tǒng)的訪問控制，進(jìn)行主機(jī)切換選擇，完成數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)包括下載主機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)主機(jī)接口分別可與兩個(gè)主機(jī)進(jìn)行通信，下載主機(jī)選擇并行GPIF接口，傳輸速度快，主要用于地面配置文件的下載，上位機(jī)接口選擇串行UART接口，主要用于系統(tǒng)配置和在軌數(shù)據(jù)傳輸，兩種主機(jī)接口進(jìn)行了全兼容性設(shè)計(jì)，通過外部選擇信號(hào)實(shí)現(xiàn)操作互斥，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)切換，根據(jù)需求選擇合適的主機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)定義固定格式的幀，通過幀數(shù)據(jù)傳輸和握手協(xié)議完成主機(jī)和配置加載系統(tǒng)的通信。主機(jī)與配置加載系統(tǒng)的通信幀格式如圖4所示，包括幀頭、命令字、數(shù)據(jù)字和校驗(yàn)字四個(gè)部分。幀頭為主機(jī)和配置加載系統(tǒng)的通信標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)識(shí)別到幀頭后確認(rèn)為一次通信傳輸。命令字為根據(jù)系統(tǒng)所有傳輸命令進(jìn)行的編碼，系統(tǒng)通過命令字進(jìn)行命令識(shí)別，如寄存器讀命令、存儲(chǔ)器寫命令等。數(shù)據(jù)字為傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。校驗(yàn)字對(duì)命令字和數(shù)據(jù)字進(jìn)行校驗(yàn)，判定本次傳輸?shù)恼_性，根據(jù)校驗(yàn)的正誤向主機(jī)反饋相應(yīng)的信息。

存儲(chǔ)器控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的訪問控制。配置加載控制系統(tǒng)支持Xilinx原廠PROM、MRAM、NOR Flash和NAND Flash四種不同存儲(chǔ)器的訪問控制。對(duì)于MRAM、NOR FLASH和NAND FLASH三種存儲(chǔ)器而言，訪問包括兩個(gè)部分：主機(jī)的訪問和FPGA加載的讀訪問。兩個(gè)訪問互斥，F(xiàn)PGA加載訪問的優(yōu)先級(jí)高，在FPGA加載時(shí)，配置加載系統(tǒng)不響應(yīng)外部主機(jī)的訪問。對(duì)于Xilinx原廠PROM，配置數(shù)據(jù)需通過外部下載器寫入，本系統(tǒng)只支持FPGA加載的讀訪問。當(dāng)主機(jī)進(jìn)行訪問時(shí)，存儲(chǔ)器控制模塊根據(jù)主機(jī)接口發(fā)來的幀命令和數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)器類型分別產(chǎn)生三類存儲(chǔ)器的訪問控制時(shí)序，完成對(duì)存儲(chǔ)器的讀、寫、擦除、復(fù)位等操作；當(dāng)FPGA加載訪問時(shí),根據(jù)FPGA加載控制模塊發(fā)來的當(dāng)前訪問的存儲(chǔ)器類型、文件首地址、開始讀取、結(jié)束讀取等命令分別產(chǎn)生四類存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)訪問所需的控制時(shí)序，將讀數(shù)據(jù)返回給FPGA進(jìn)行配置加載。存儲(chǔ)器控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。配置加載系統(tǒng)提供四個(gè)外部存儲(chǔ)器類型片選端口，根據(jù)存儲(chǔ)器類型寄存器的配置，由存儲(chǔ)器控制模塊產(chǎn)生。每類存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)一個(gè)片選信號(hào)，片選信號(hào)(TYPE_CS[3:0])僅表示當(dāng)前訪問的存儲(chǔ)器類型。在應(yīng)用中若某個(gè)存儲(chǔ)器需要使用多片，則根據(jù)具體使用的存儲(chǔ)器片數(shù)，通過地址高位進(jìn)行外部譯碼來產(chǎn)生實(shí)際存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。片選產(chǎn)生如圖6所示，其中k，l，m，n分別表示每類存儲(chǔ)器使用的片數(shù)。這樣可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行片選的擴(kuò)展，大大提高了使用的靈活性和應(yīng)用的普適性。

FPGA加載控制模塊根據(jù)配置信息，從存儲(chǔ)器中或主機(jī)獲取配置數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)FPGA的配置加載和自刷新。FPGA配置加載模塊支持多路FPGA的配置加載控制，通過Slave SelectMAP模式進(jìn)行配置加載控制。以四路FPGA為例，四路FPGA的配置加載按先后順序依次進(jìn)行，四路FPGA的DATA、CCLK、RDWR_B端口共用本控制系統(tǒng)相應(yīng)的端口，PROGRAM_B、INIT_B、CS_B和DONE端口由本控制系統(tǒng)分別控制，系統(tǒng)與FPGA連接方式如附圖7所示。

本發(fā)明的通用化配置加載控制系統(tǒng)已經(jīng)在某星載通用FPGA配置加載控制電路中進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)，該電路使用了本發(fā)明中的在軌多路通用化配置加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，兼容了多種存儲(chǔ)器訪問，配置加載支持Xilinx系列FPGA，支持多接口訪問，提高了系統(tǒng)的通用性和普適性，保證了在軌配置加載的實(shí)時(shí)性和靈活性，提升了配置加載的速度。該款電路已完成流片、測(cè)試，在系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證中表現(xiàn)良好，滿足預(yù)定的功能性能指標(biāo)。