星载环境FPGA软件在轨重加载的一种方法

摘要：FPGA在空间系统中已经广泛应用，为了满足系统可靠性和可扩展性的要求，实现FPGA软件的在轨重加载迫在眉睫。根据FPGA的加载配置原理，以Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA为实例，介绍了FPGA在轨重加载的硬件电路设计以及软件设计。经过实验室测试验证，该设计方法合理可行，满足星载环境下FPGA软件在轨编程及重加载的设计需求。
关键词：FPGA；在轨重加载；在轨编程；星载环境

0 引言
FPGA已经广泛应用于星载信号处理系统中，然而其在空间环境中的可靠性设计是一个难题。一方面，FPGA软件可能受到外部空间环境影响而产生各种问题，特别是单粒子效应造成的FPGA程序出错，其导致的后果是严重的甚至是灾难性的；另一方面，当FPGA软件本身存在设计缺陷或者由于卫星系统改变应用需求时，若能实现星载环境下FPGA软件的远程更新升级，其软件系统的生命周期便可以得到延长，同时产生的经济效益也是不可估量的。
为此，本文介绍一种星载环境下FPGA软件在轨重加载的方法，通过星上系统的1553B接口接收FPGA配置数据文件，在DSP和CPLD的控制下，灵活地实现FPGA程序的在轨编程及重加载。

1 FPGA加载原理
基于SRAM工艺的FPGA由于在掉电后配置数据丢失，因此需要在上电后对其进行加载，而配置数据被保存在外部的非易失存储器中。
Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA通过芯片配置管脚MODE PIN(M0，M1，M2)，可以实现5种配置模式，详见表1。

上述5种模式中，JTAG边界扫描模式具有最高的优先级，其加载方式是通过专用JTAG口对FPGA进行访问。SelectMAP模式实际上就是并行模式，其加载时的数据访问位宽为8 b，加载过程与串行模式相同。主模式和从模式的区别在于时钟是由FPGA自身提供，亦或是外部提供，当FPGA主动输出时钟时即为主模式，反之即为从模式。
FPGA的配置过程如图1所示，主要由3个阶段8个步骤组成。FPGA在Slave SelectMAP模式下配置过程中使用的信号包括：PROG_B，INIT_ B，CCLK，CS_B，RDWR_B，DATA[0：7]，BUSY，DONE，其时序关系如图2所示。

根据图1和图2，Slave SelelctMAP模式下，FPGA加载过程描述如下：
第1阶段：启动和初始化，分为3个步骤：
FPGA上电正常后，通过PROG_B引脚低脉冲进行FPGA异步复位，使得FPGA内部逻辑清零；PROG_B拉高后，停止外部复位，INIT_B引脚会在自动产生一个由低到高的跳变，指示FPGA内部初始化完成，可以进行数据下载；FPGA检测其专用的配置模式管脚M0～M2的电平，从而确定加载模式。
第2阶段：比特流加载，分为4个步骤。INIT_B信号变高后，不需要额外的等待时间，Virtex器件就可以立即开始数据的配置。比特流数据在外部CCLK信号上升沿按字节方式置入。其中的Synchronization(同步)、Device ID Check(检测器件ID号和配置数据中的ID号是否匹配)、Load Configuration Data(下载数据流)和CRCCheck(CRC校验)对用户是完全透明的，同步字、配置数据中ID号和CRC校验和都是在生成配置数据文件时和配置数据一起打包，嵌入在配置数据文件当中。
第3阶段：Startup启动。在成功校验CRC码位后，FPGA进入Startup状态。它是由8相状态机实现的，中间包括等待DCM锁相、DCI匹配等几个状态，最后FPGA释放外部DONE引脚，对外输出高阻态，由外部上拉高，指示FPGA加载成功。