基于大容量FPGA的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級的實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在目前的很多電子系統(tǒng)應(yīng)用場合都可以看到。這種多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、功能配置的靈活性以及便于查找故障節(jié)點(diǎn)等良好的可維護(hù)性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通常，多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要硬件構(gòu)成有很大的相似性。特別是近年來， FPGA這個(gè)強(qiáng)大的平臺讓多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成擁有了更廣泛的通用性。尤其是隨著IP核技術(shù)的推廣，再加上一些功能強(qiáng)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(shí)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(diǎn)系統(tǒng)，這將大大降低系統(tǒng)成本。對于由大容量FPGA構(gòu)成的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的升級是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。此時(shí)，F(xiàn)PGA的遠(yuǎn)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(diǎn)系統(tǒng)，使用這些嵌入式微處理器，采用SELECTMAP對FPGA進(jìn)行加載并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級，無需增加過多的外部器件，是非常經(jīng)濟(jì)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(hù)人員不便于到達(dá)的場合的應(yīng)用；而如果單純?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級而加入價(jià)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(fù)雜性。針對這種情況，筆者設(shè)計(jì)了利用ATmega64單片機(jī)和RS485總線，加上接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成的遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)，解決了上述問題。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)主要由一臺接入以太網(wǎng)的主控計(jì)算機(jī)、半雙工RS485總線以及各個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)從外部獲取整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的升級數(shù)據(jù)，然后通過RS485總線向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送其對應(yīng)的升級數(shù)據(jù)，完成多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的升級。RS485總線采用一主多從的半雙工方式，主控計(jì)算機(jī)為總線的主控制器，只能由它向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信連接，其余子節(jié)點(diǎn)只能響應(yīng)主控計(jì)算機(jī)的控制命令。

圖1 多節(jié)點(diǎn)大容量FPGA系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.2 節(jié)點(diǎn)升級原理

　　各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過RS485總線與主控計(jì)算機(jī)相連，在無升級數(shù)據(jù)時(shí)，總線可以用來傳輸主控計(jì)算機(jī)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的查詢和控制命令。主控計(jì)算機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議可以采用具有查詢控制幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀3種幀類型的協(xié)議。只有主控計(jì)算機(jī)可以發(fā)送查詢控制幀，查詢或設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程升級狀態(tài)或工況信息。子節(jié)點(diǎn)接收主控計(jì)算機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答幀，并完成自身的升級。

　　2 子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖2所示，以一個(gè)由Xilinx公司的XC3S4000大容量FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)為例，遠(yuǎn)程升級系統(tǒng)子節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要包括： ATmega64單片機(jī)，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(jī)用于實(shí)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(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖