多节点大容量FPGA系统的远程升级方法

　　ATmega64单片机的标准串行口通过RXD直接连接SP485R芯片的RO引脚，通过TXD直接连接SP485R芯片的DI引脚。由单片机输出的R/D信号直接控制SP485R芯片的发送器/接收器使能：R/D信号为1，SP485R芯片的发送器有效，接收器禁止，此时单片机可以向RS485总线发送数据字节；R/D信号为0，SP485R芯片的发送器禁止，接收器有效，单片机可以接收来自RS485总线的数据字节。上拉电阻R1、下拉电阻R2用于保证未连接总线时的SP485R芯片处于空闲状态，以提高每个RS485节点的工作可靠性。6.8 V的TVS管V1、V2、V3用来保护RS485总线，避免RS485总线受外界干扰时产生的高压损坏RS485收发器。

　　2.2.2 ATmega64存储空间的扩展

　　ATmega64的寻址空间为64 KB，利用ATmega64自身的寻址系统，只能访问0x0000~0xFFFF的地址空间。显然，这对于存储和加载大容量FPGA的配置数据是远远不够的。以Xilinx公司的Spartan3系列FPGA为例，其配置数据所需的存储空间如表2所列。

　　表2 Spartan3系列FPGA配置文件大小

　　以XC3S4000型FPGA为例，它的配置文件所需的存储空间约为1.35 MB，已远远超出了ATmega64单片机的寻址空间。因此，为了能够利用ATmega64单片机来实现对FPGA配置数据的读写，必须对其寻址空间进行扩展。扩展的硬件连接框图如图2中的单片机与Flash的连接部分所示。

　　本设计中是使用通用I/O来扩展ATmega64单片机的寻址空间的。ATmega64单片机的总寻址空间为64 KB，但片内4 KB的SRAM及各种寄存器占用了前面的部分寻址空间，故其片外存储器寻址空间是0x1100~0xFFFF。因此将Flash的低15位地址直接接到ATmega64单片机的低15位地址总线上，其余6位高位地址用单片机的通用I/O进行选择。寻址时单片机的专用地址口只输出0x8000～0xFFFF的地址数据，与通用I/O输出的地址组合后给出Flash的读写地址。

　　通过以上对ATmega64单片机寻址空间的扩展方法，可以实现ATmega64单片机对合适的Flash存储器的寻址操作，从而解决了大容量FPGA配置数据的存储和读取问题。

　　2.2.3 用ATmega64实现FPGA的SELECTMAP加载

　　Xilinx公司的Spartan3系列FPGA加载方式分为5种： Master Serial、Slave Serial、Master Parallel、Slave Parallel、JTAG。

　　按照FPGA是否控制加载过程，加载方式可分为Master方式和Slave方式；按照加载数据时的数据位宽，可分为Serial方式和Parallel方式。用于加载的引脚主要有： 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）。加载过程大体分为3个步骤： 配置的建立、配置数据的加载和加载完成。

　　SELECTMAP即Slave Parallel方式，是由外部控制器控制FPGA的加载过程，并以8位数据的形式向FPGA写入加载数据的加载方法。图2中FPGA与ATmega64的连接部分为ATmega64单片机采用SELECTMAP方式对FPGA进行加载的硬件连接框图，具体实现过程如下：

　　ATmega64通过将FPGA的PROG_B、CS_B和RDWR_B引脚置低来开启加载过程，FPGA在PROG_B置低后开始清除内部配置RAM，并将INIT_B脚置低。PROG_B重新置1后，在INIT_B由低变高的上升沿，FPGA采样M[0～2]引脚获取配置方式信息。ATmega64监视FPGA的INIT_B脚，当INIT_B脚由低变高时，说明FPGA已经完成了内部配置RAM的清除工作，并准备好接收配置数据。在ATmega64给出的CCLK配置时钟的上升沿，配置数据D[0～7]写入配置RAM。当FPGA接收完所有的配置数据后，DONE引脚被FPGA置为高电平。ATmega64可以通过监视DONE引脚来判断FPGA是否加载完成。对于Spartan3系列的FPGA，如果配置FPGA的CCLK的频率高于50 MHz，则外部控制器还需要监视FPGA的BUSY引脚。当BUSY脚为高时，说明FPGA还未完成上一个配置数据的处理，此时外部控制器需要继续保持上一个配置数据在D[0～7]引脚，直至BUSY引脚回到低电平。对于本设计的应用，ATmega64给出的配置时钟频率远低于50 MHz，不必考虑BUSY引脚的控制作用。

　　3 软件设计

　　3.1 主控计算机的软件设计

　　主控制计算机的软件运行状态应该分为两种： 一是平时的查询控制状态，用来查询和控制系统中各个节点的工作状态；二是系统的升级状态，用来执行对各个子节点的升级控制。如图4所示，这两种状态是可以相互转换的。

　　图4 主控计算机主要状态

　　软件的查询控制状态，是由系统所要实现的主要功能决定的，不属于本文所讨论的范畴。在系统的升级状态，主控计算机先要通过以太网获得系统各个节点的远程升级数据，待全部升级数据接收完成后，向系统的一个节点发送升级指令。节点响应并建立起通信连接后，将该节点的升级数据全部发送到该节点。接下来，主控计算机判断上一个节点是否为最后一个需要升级的节点，如果不是，则继续进行下一个节点升级数据的传输。系统所有的节点升级完成后，等待外部输入的控制命令。例如，让整个系统重新启动，加载新的数据；或暂时不重新启动而返回查询控制状态。软件流程如图5所示。

　　图5 系统升级状态流程

　　3.2 子节点的软件设计

　　对于子节点的软件设计，与主控计算机一样，也分为平时的查询控制状态和系统升级状态，并且它们之间也能够与主控计算机一起相互转换；但ATmega64单片机还要承担对FPGA的加载任务。开机运行后，ATmega64单片机先加载子节点FPGA，使子节点能够正常工作。子节点正常工作后，监视RS485总线并判断有无对本节点的通信。当主控计算机要求与本节点建立通信连接时，发送反馈信息，与其建立通信连接。子节点根据主控计算机发送的命令，进入查询控制模式或者远程升级模式。进入远程升级模式后，子节点接收主控计算机发来的远程升级数据，升级数据经过校验后写入Flash。升级完成后继续等待主控计算机的命令，重新启动或继续运行。其具体的软件设计流程如图6所示。

　　图6 子节点软件流程

　　结语

　　FPGA既继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通ASIC周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为许多系统实现的理想选择。特别是随着FPGA容量和性能的提升，加上其独特的硬件升级能力，其应用范围越来越广。本文所提出的对大容量FPGA构成的多节点系统的远程升级方法，系统构成简单、技术成熟，而且具有明显的成本优势。