基于FPGA的远程快速在线升级技术研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2 1 2 2 7基于F P GA的远程快速在线升级技术研究李 霄,徐思远,胡瑾贤(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 2 2 5 1 0 1)摘要:现场可编程门阵列(F P G A)在电子对抗领域如多通道数字接收机、波束合成阵列中大量应用,使用现有的J T A G调试器对其进行升级非常耗费时间。基于可执行文件对 F P G A进行M u l t i b o o t配置,将F L A S H配置区域进行自定义分区规划,通过千兆以太网对多块F P G A完成远程在线升级。该方法简化了配置链路,降低了配置复杂度,提升了配置速度;使用网线远程完成任务,省去了分批多次
2、配置时需在多块板卡上进行拔插的复杂流程,克服了已列装设备在地理位置和结构上的诸多不便;具有校验回退机制,保证了配置安全。关键词:电子对抗;现场可编程门阵列;远程在线升级;回退机制 中图分类号:T P 3 3 1文献标识码:A文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 0 9 8-0 5D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 2 2R e s e a r c h i n t o a R a p i d R e m o t e O n l i n e U p g r a d e T e c h n o
3、 l o g y B a s e d o n F P G A L I X i a o,XU S i y u a n,HU J i n x i a n(T h e 7 2 3 I n s t i t u t e o f C S S C,Y a n g z h o u 2 2 5 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:F i e l d p r o g r a mm a b l e g a t e a r r a y(F P GA)i s w i d e l y u s e d i n t h e f i e l d o f e l e c t r o n i c c o
4、 u n t e r-m e a s u r e s s u c h a s m u l t i-c h a n n e l d i g i t a l r e c e i v e r a n d b e a m s y n t h e s i s a r r a y.I t i s v e r y t i m e-c o n s u m i n g t o u p g r a d e F P GA b y t h e e x i s t i n g J T AG d e b u g g e r.M u l t i b o o t c o n f i g u r a t i o n o f F
5、 P GA i s p e r f o r m e d b a s e d o n e x e c u t a b l e f i l e s,a n d c u s t o m i z e d p a r t i t i o n p l a n n i n g o f F L A S H c o n f i g u r a t i o n a r e a i s c a r r i e d o u t,t h e n t h e r e m o t e o n l i n e u p g r a d e o f m u l t i p l e F P GA s o v e r g i g a
6、 b i t E t h e r n e t i s f i n i s h e d.T h i s m e t h o d s i m p l i f i e s t h e c o n f i g u r a t i o n l i n k,r e d u c e s t h e c o n f i g u r a t i o n c o m p l e x i t y,a n d i m p r o v e s t h e c o n f i g u r a t i o n s p e e d,c o m p l e t e s t a s k s r e m o t e l y b y
7、 u s i n g n e t w o r k c a b l e s,w h i c h e l i m i n a t e s t h e c o m-p l i c a t e d p r o c e s s o f p u l l i n g a n d p l u g g i n g o f m u l t i-b o a r d f o r m u l t i p l e b a t c h e s o f c o n f i g u r a t i o n,a n d o-v e r c o m e s m a n y i n c o n v e n i e n c e s i
8、 n t h e g e o g r a p h i c a l l o c a t i o n a n d s t r u c t u r e o f t h e i n s t a l l e d e q u i p-m e n t.T h e v e r i f i c a t i o n r o l l b a c k m e c h a n i s m e n s u r e s t h e c o n f i g u r a t i o n s e c u r i t y.K e y w o r d s:e l e c t r o n i c c o u n t e r m e a
9、 s u r e s;f i e l d p r o g r a mm a b l e g a t e a r r a y;r e m o t e o n l i n e u p g r a d e;r o l l-b a c k m e c h a n i s m 0 引 言现场可编程门阵列(F P GA)以其优越的性能在电子对抗装备中广泛应用,尤其在多通道数字接收机、波束合成阵列等复杂设备中,F P GA芯片的个数通常达数十甚至上百个。随着高质量发展理念的不断推进,对F P GA进行升级和维护的频率越来越高1-2。使用现有P l a t f o r m C a b l e U S B调试器
10、通过J T AG接口进行现场升级的调试方式,仅升级1片F P GA就需要0.5 h左右,故更新维护具有大量F P GA的设备通常以天计算,非常耗时3。不仅如此,当产品已经列装于集成大系统中时,通常需要先进行拆解,定位调试接口,再配合不同的转接头,通过多次拔插调试器的方式对每片F P GA依次完成升级,耗费大量人力物力;并且,当设备被极端温度或震动环境等因素影响时,长时间的配置过程会导致配置失败的概率升高,降低其升级可靠性4。为了提高调试和试验效率,降低升级维护成本,2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E
11、C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4提高系统维护的可靠性,本文基于F P GA的配置原理,研究了远程在线升级M u l t i b o o t的方法,提出了F L A S H配置区域的自定义分区规划方法。该方法不需要多次现场拔插J T AG调试接口,仅通过1根网线就能实现基于千兆以太网的所有F P GA设备的远程在线快速升级,降低了F P GA分批多次配置的复杂度,大量节省F P GA升级配置时间及成本。该方法同时具有出错后及时回退机制,提高了F P-GA升级配置的安全性。1 硬件系统实现整个系统框图如图1所示,电脑端M u l
12、t i b o o t升级平台与各F P GA通过网络交换机相连,通过不同的I P实现远程在线升级M u l t i b o o t的功能。其中F L A S H以串行外固设备接口(S P I)配置模式与F P GA相连,F P GA收到网络数据包后解析给M i-c r o b l a z e。M i c r o b l a z e基于l w i p协议栈,每块F P-GA为独立的I P,可对多个不同的I P匹配不同的配置文件。l w i p协议栈是一个轻量级开源T C P/I P协议栈,F P GA片内资源占用约1 k B随机存取存储器(R AM)和4 0 k B 只读存储器(R OM),无
13、需操作系 统支持,适用于各类主流F P GA平台。在P C端依次将镜像通过不同的I P地址发出,各F P GA分别解析对应I P的配置文件,就可以通过1根网线远程完成对所有在线F P GA的一键配置升级工作。尤其针对任意一片F P GA,其配置操作通过网络直接实现,而不是P l a t f o r m C a b l e U S B调试器,这种机制大大简化了配置链路,实测1块F P GA的升级配置只需数分钟,配置速度大幅提升。图1 硬件系统框图2 远程在线升级M u l t i b o o t整体流程如图2所示,F L A S H分为5个部分:G o l d e n区、定时器1、U p d a
14、 t e区、定时器2、版本号区,用T c l脚本把这4个部分整合到1个m c s文件里。F L A S H里该5个区的各个地址排布如表1所示。图2 M u l t i b o o t、回退机制、F L A S H存储结构、配置步骤示意图 G o l d e n区:只包含基础的远 程升级功能,当U p d a t e区数据出错时,F P GA加载此区镜像保证系统安全。定时器1:设置寻找U p d a t e镜像S YN C字的最99第4期李霄,等:基于F P GA的远程快速在线升级技术研究 表1 地址排布区域名地址范围G o l d e n镜像0 x 0 0 0 0 0 0 0 00 x 0 0
15、 9 F F B F F定时器10 x 0 0 9 F F C 0 00 x 0 0 9 F F F F FU p d a t e镜像0 x 0 0 A 0 0 0 0 00 x 0 2 B F E F F F版本号0 x 0 2 B F F 0 0 00 x 0 2 B F F F F F定时器20 x 0 2 C 0 0 0 0 00 x 0 2 C 0 0 3 F F长时间。如果在定时器1计时内找到完整的U p-d a t e镜像,则U p d a t e镜像正常加载。否则,触发回退机制,F P GA加载G o l d e n镜像。U p d a t e区:具有完整功能并带远程升级功能的
16、镜像,每次升级系统时对当前区进行更新数据。定时器2:设置加载完整U p d a t e镜像的最长时间。如果在定时器2计时内加载了一个完整的U p-d a t e镜像,则忽略;否则定时器2触发回退机制,F P GA加载G o l d e n镜像。版本号区:存放当前程序的版本号,用于版本控制。第1次烧写用J T AG接口将上述5个部分全部写入,后 续 通 过 网 口 更 新U p d a t e区,其 中 其 他F L A S H地址均被保护。2.1 镜像的生成在g o l d e n工程的x d c约束文件由以下语句使能M u l t i b o o t功能:s e t_p r o p e r
17、t y B I T S T R E AM.C ON F I G.N E X T_C ON F I G_A D D R 0 x 0 0 9 F F C 0 0 c u r r e n t_d e s i g ns e t_p r o p e r t y B I T S T R E AM.C ON F I G.S P I_B U SW I D TH 4 c u r r e n t_d e s i g ns e t_p r o p e r t y B I T S T R E AM.G E N E R A L.C OMP R E S S T RU E c u r r e n t_d e s i g n
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