计算机测量与控制．２０２０．２８（１２）　
犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾　
·２１３
　·
收稿日期：２０２００５１５；　修回日期：２０２００６０３。
作者简介：王伟伟（１９８６），男，北京市人，硕士，工程师，主要从
事ＦＰＧＡ嵌入式设计方向的研究。
文章编号：１６７１４５９８（２０２０）１２０２１３０４  ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２０．１２．０４４  中图分类号：Ｖ４７５．５文献标识码：Ａ
基于犉犘犌犃的在线重构设计方法
王伟伟，闫新峰，修　展，徐　进，张　甜
（北京航天长征飞行器研究所，北京　１０００７６）
摘要：为了解决ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ和配置存储器中存在的单粒子反转现象导致的ＦＰＧＡ工作异常和配置失败问题，同时满足ＦＰ ＧＡ类产品在总装后可以通过和地面通信接口实现远程更新的需求，提出了３种基于ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ的软件重构方法；对于７系列以下ＦＰＧＡ，采用ＡＳＩＣ在线重构技术，通过ＪＴＡＧ和ＳＰＩ接口控制配置存储器读写实现在线重构，该方法简单，适用于多板卡应用场景；对于７系列ＦＰＧＡ，采用ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ多镜像技术实现多镜像启动，通过直接更新Ｍ镜像的方式实现在线重构功能，该方法不需要外部控制芯片，电路简单，设计方便，适用于单芯片控制场合；针对ＺＹＮＱ类芯片，利用其内部的ＢｏｏｔＲＯＭ和ＦＳＢＬ功能，在配置存储器中通过多镜像方式实现在线重构设计，适用于高性能应用场景；３种方法保证了ＦＰＧＡ可靠启动，同时具备在线更新功能，可以保证在更新失败的情况下，依然可以运行旧版本或可以重新对其进行配置，增强了系统的安全性和可靠性。
关键词：ＦＰＧＡ配置存储器；ＡＳＩＣ；ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ；ＺＹＮＱ
犇犲狊犻犵狀犕犲狋犺狅犱狅犳犗狀犾犻狀犲犚犲犮狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀犅犪狊犲犱狅狀犉犘犌犃
ＷａｎｇＷｅｉｗｅｉ，ＹａｎＸｉｎｆｅｎｇ，ＸｉｕＺｈａｎ，ＸｕＪｉｎ，ＺｈａｎｇＴｉａ
ｎ
（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＬｏｎｇＭａｒｃｈＶｅｈｉｃｌｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７６，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆＦＰＧＡａｂｎｏｒｍａｌｗｏｒｋａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｃａｕｓｅｄｂｙｓｉｎｇｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＳＲＡＭＦＰＧＡａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｅｍｏｒｙ，ａｎｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｔｈａｔＦＰＧＡｐｒｏｄｕｃｔｓｃａｎｂｅｕｐｄａｔｅｄｒｅｍｏｔｅｌｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍ ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｗｉｔｈｔｈｅｇｒｏｕｎｄａｆｔｅｒａｓｓｅｍｂｌｙ，ｔｈｒｅｅｓｏｆｔｗａｒｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｂａｓｅｄｏｎＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＦｏｒＦＰＧＡｂｅｌｏｗ７ｓｅｒｉｅｓ，ＡＳＩＣｏｎｌｉｎｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄＪＴＡＧａｎｄＳＰＩｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｔｒｏｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｅｍ ｏｒｙｒｅａｄａｎｄｗｒｉｔｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｏｎｌｉｎｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍｕｌｔｉ－ｂｏａｒｄｃａｒｄｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ｆｏｒ７ｓｅｒｉｅｓＦＰＧＡ，ＭｕｌｔｉＢｏｏｔｍｕｌｔｉ
－ｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｕｌｔｉ－ｉｍａｇｅｓｔａｒｔｕｐ，ａｎｄｔｈｅｏｎｌｉｎｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｌｙｕｐｄａｔｉｎｇＭｉｍａｇｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｄｏｅｓｎｏｔｎｅｅｄｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐ，ａｎｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｃｏｎｔｒｏｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．ＵｓｉｎｇｔｈｅＢｏｏｔＲＯＭａｎｄＦＳＢＬｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ＺＹＮＱｃｈｉｐｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｏｎｌｉｎｅｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｉｍａｇｅｓｉｎｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｍｅｍｏｒｙ，ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｌｅｓｔａｒｔｕｐｏｆＦＰＧＡａｎｄｔｈｅｏｎｌｉｎｅｕｐｄａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｏｌｄｖｅｒｓｉｏｎｃａｎｓｔｉｌｌｒｕｎｏｒｂｅｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｉｎｃａｓｅｏｆｕｐｄａｔｅｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｕｓｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ＦＰＧＡｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｍｅｍｏｒｙ；ＡＳＩＣ；ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ；ＺＹＮＱ
０　引言
随着航天技术的发展，ＦＰＧＡ凭借其丰富的接口和逻辑
资源，逐渐取代单片机和ＤＳＰ，越来越多地应用到产品设计
中。它可以大大减小设计规模，提高设计效率。根据可编程
技术不同，ＦＰＧＡ分为ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）
型、反熔丝型和Ｆｌａｓｈ型［１２］。由于ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ采用
ＣＭＯＳ工艺，集成度高、性能优越、资源丰富、成本低廉，
其可重复编程的特性使它拥有广阔的应用，尤其是在航天器
的在轨更新和维护方面，优势明显。但航天系统是一个可靠
性要求的系统，空间辐射对于ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ影响巨大，会
引起单粒子反转，如果导致关键性能失效，很有可能导致任
务失败，带来巨大的损失。同时航天工程是一个复杂的工
程，需要各系统协同合作才能完成。通常在研制初期，由于
进度原因，细节考虑不全或因为用户需求变化，在总装后需
要对产品中ＦＰＧＡ软件进行升级才能正常工作，这时如果产
品不具备在线重构功能，则必须进行拆卸操作，由此造成了
巨大的时间和成本损失，因此ＦＰＧＡ具备在线重构功能成为
系统越来越迫切的需求［３４］。
针对Ｘｉｌｉｎｘ７系列以下ＦＰＧＡ、７系列ＦＰＧＡ和ＺＹＮＱ提
出了三种提高在线重构可靠性的设计方法，分别为基于ＡＳＩＣ
在线重构设计方法、基于ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ多镜像的设计方法和基于
ＺＹＮＱ的在线重构技术［５７］。这三种方法几乎涵盖了Ｘｉｌｉｎｘ所
有ＦＰＧＡ，实现了在线重构技术，提高了系统可靠性。
１　犉犘犌犃配置方法
在嵌入式领域，ＦＰＧＡ凭借丰富的接口和逻辑资源，
越来越受到工程师的欢迎，尤其是配置方式的多样性和在
线重构技术，给工程师提供了丰富的设计方法和设计空间，
根据实际需求随时改变设计来实现改变或增加新的功能，
提高系统的安全性和可靠性。不同厂家的ＦＰＧＡ配置方式
有所不同但大同小异，本文主要针对Ｘｉｌｉｎｘ的ＦＰＧＡ进行
研究，提出设计方法。
ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ支持多种配置方式，从配置时钟的来源可
  计算机测量与控制　第２８
卷
·２１４　·以分为：主模式（ＭａｓｔｅｒＭｏｄｅｓ）和从模式（Ｓｌａｖｅ
Ｍｏｄｅｓ）；从数据读取方式可分为：并行模式（ＭａｓｔｅｒＭｏｄｅｓ）和串行模式（ＳｅｒｉａｌＭｏｄｅｓ
）。根据这两种不同进行组合，可以得到５种ＦＰＧＡ常用的配置方式：主串、从串、主并、从并和ＪＡＴＧ模式。工程上最常使用的是Ｓｅｌｅｃｔ ＭＡＰ（主并）和ＳＰＩ模式（主从），分开使用Ｘｉｌｉｎｘ的配置芯片ＰＲＯＭ和ＦＰＧＡ支持的ＳＰＩＦｌａｓｈ芯片。ＳｅｌｅｃｔＭＡＰ和ＳＰＩ模式采用主模式，ＦＰＧＡ在上电后加载片外Ｆｌａｓｈ芯片中的配置比特流，配置所需的时钟信号（ＣＣＬＫ）由ＦＰ ＧＡ内部产生，且ＦＰＧＡ控制整个配置过程。自动将配置数据从相应的Ｆｌａｓｈ芯片读入到ＳＲＡＭ中。以７系列ＦＰＧＡ为例，其配置流程大致分为８个步骤，如图１所示
。
图１　ＦＰＧＡ配置流程
上电后，ＦＰＧＡ的ＰＲＯＧＲＡＭ＿Ｂ引脚变低开始整个
配置过程，可以通过控制ＦＰＧＡ硬件硬件ＰＲＯＧＲＡＭ＿Ｂ引脚的变化来重新配置ＦＰＧＡ。上电后，使用ＪＴＡＧＪＰＲＯ ＧＲＡＭ指令或ＩＰＲＯＧ命令，配置存储器将并清空。在此期间，通过使用全局三态将Ｉ／Ｏ置于高阻态，如果硬件引脚ＰＵＤＣ＿Ｂ为低电平，则内部上拉。硬件引脚ＩＮＩＴ＿Ｂ在初始化期间内部驱动为低电平，完成后变为高电平。接着设备对外部模式配置硬件Ｍ［２：０］进行采样，开始驱动时钟ＣＣＬＫ，将一组３２ｂｉｔ特殊的同步字（０ｘＡＡ９９５５６６）发送到配置逻辑。同步字用来将配置数据与内部配置逻辑对齐。设备同步后，先通过设备ＩＤ检查才能加载配置数据。如果在配置期间发生ＩＤ错误，则设备会尝试重新配置，设备ＩＤ检查内置于比特流中。之后ＦＰＧＡ开始加载配置帧，加载配置数据时会根据数据包计算循环冗余校验（ＣＲＣ），然后和比特流中存储好的ＣＲＣ值进行比较，匹配通过后ＦＰＧＡ开始进行启动序列，启动完成后，ＦＰＧＡ配置完成，开始正常工作。
根据上述ＦＰＧＡ的配置过程，可以通过软硬件设计保证ＦＰＧＡ能够将配置存储器存储的配置比特流可靠地加载到ＦＰＧＡ中。随着ＦＰＧＡ技术的不断发展，不同代的ＦＰ ＧＡ产品在重构方便拥有不同的特性。ＸｉｌｉｎｘＦＰＧＡ７系列具备ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ多镜像启动功能，支持在线更新系统，配置文件可以现场动态升级。７系列以前的ＦＰＧＡ则不具备该功能，需要外置芯片来进行重构设计。而对于ＺＹＮＱ系列，由于内置有ＡＲＭ处理器，因此其配置方式更加灵活多样，
方便实现在线重构设计［８１０］。
２　基于犉犘犌犃的在线重构设计
ＦＰＧＡ软件的一个重要特性是它具有重构性，可以远程实现配置数据的更新，更改软件，实现新的功能。该功能解决了产品在总装后无法在不拆卸的情况下更新ＦＰＧＡ
软件的难题，缩短了时间，大大节省了人力财力，提高了效率。针对遥测系统不断变化的需求，软件更新频率很高，因此该功能逐渐变为软件设计的基本要求，增强了产品的安全性和可靠性，大大提高了设计效率。典型的在线升级系统如图２所示
。
图２　典型的在线升级系统设计框图
如图２所示，一般地，目标系统和地面系统进行通信
采用ＵＡＲＴ、１５５３Ｂ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等接口形式中的一种或多
种，实现弹地数据之间的传输。这样就可以将地面系统中更改后的新的ＦＰＧＡ配置文件通过上述接口传输到目标系统上的ＦＰＧＡ控制器，接着ＦＰＧＡ控制ｆｌａｓｈ读写将配置文件正确写入到Ｆｌａｓｈ固定位置，从而实现数据流的更新。ＦＰＧＡ的在线重构技术，关键是要保证在更新失败的
情况下，任然可以运行旧版本或可以重新对其进行配置，否则就失去了在线重构的意义。下面针对上文提到的３种设计方法分别进行描述。
２ １　基于犃
犛犐犆的犉犘犌犃在线重构技术对于Ｘｉｌｉｎｘ７系列以下的ＦＰＧＡ芯片，本身不具备在线重构能力，需要外置配置管理芯片进行配置，从而实现在线重构，提高可靠性和安全性。一般地，对于只存在一个ＦＰ ＧＡ芯片的设备，可以外加一个Ｍ
ＣＵ或ＣＰＬＤ来实现对ＦＰ ＧＡ的在线重构设计。Ｘ
ｉｌｉｎｘ的应用笔记中给出了基于Ｍｉ ｃｒｏＢｌａｚｅ软核和ＣＰＬＤ的在线重构技术来实现系统的在线更
新。若一个设备中有多个ＦＰＧＡ芯片，且配置芯片也不同，有采用ＳｅｌｅｃｔＭＡＰ模式的ＰＲＯＭ芯片，也有基于ＳＰＩ模式的Ｆｌａｓｈ存储芯片，各个模块之间通过背板连接。为了减少成本，提高设计效率，可以使用专用ＡＳＩＣ芯片来统一管理各ＦＰＧＡ芯片，实现在线重构，实现框图如图３所示。
该设计可以分别通过ＪＴＡＧ和ＳＰＩ接口实现对ＰＲＯＭ和ＳＰＩＦｌａｓｈ的读写操作，最大支
持８路ＪＡＴＧ和８路ＳＰＩ接口，同时支持ＪＴＡＧ协议的菊花链设计，可以对一个板卡上的多个ＦＰＧＡ进行配置。上位机可以通过ＵＡＲＴ接口选择对哪个板卡上的某个ＦＰＧＡ进行操作，实现在线升级。同时也可以直接在设备附近使用ＪＡＴＧ下载器对ＦＰＧＡ进行在线调试和升级，这样完全保证了在总装完成后也可以对产品进行调试和升级的需求，解决了软件升级需要重新拆装的难题，大大节约了成本，提高了效率。
２ ２　基于犕狌犾狋犻犅狅狅狋多镜像的在线重构设计针对Ｘｉｌｉｎｘ７系列ＦＰＧＡ可以使用推荐的ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ方案来实现ＦＰＧＡ的在线重构。ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ直接操作的是两个
第１２期王伟伟，等：基于ＦＰＧＡ
的在线重构设计方法·２１５　
·
图３　在线升级ＡＳＩＣ设计原理框图
镜像，也可以是多个镜像。其中一个镜像永远不会改变，用于令一个镜像在加载失败时可以返回到该镜像上重新加载，称之为Ｇ镜像（ＧｏｌｄｅｎＩｍａｇ
ｅ），后面的镜像称之为Ｍ镜像（ＭｕｌｉＢｏｏｔＩｍａｇｅ）。当需要进行远程更新实现重构时，ＦＰＧＡ可以直接对Ｆｌａｓｈ芯片中Ｍ镜像存放的位置进行读写操作，Ｇ镜像的存储位置和数据永远不变。这样在Ｍ镜像出现错误时，可以退回到Ｇ镜像，保证ＦＰＧＡ能够正常运行，然后再对Ｍ镜像进行更新。ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ实现框图如图４所示
。
图４　ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ实现流程图
一般的ＦＰＧＡ从Ｆｌａｓｈ的基地址开始存放Ｇ镜像，后面存放Ｍ镜像。根据前面介绍的ＦＰＧＡ配置方法中，上电后，
ＦＰＧＡ从地址为０的地方开始加载，也就是先加载Ｇ镜像，但是在Ｇ镜像的开始位置添加了ＩＰＲＯＧ（内部编程）命令和Ｍ镜像的地址，当ＦＰＧＡ运行到这个位置时会直接跳到Ｍ镜像位置开始加载，ＩＰＲＯＧ是一条命令可以在Ｇ镜像中生效，也可以在设计中使用，将ＩＰＲＯＧ通过内部配置访问接口ＩＣＡＰ（ｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａｔｉｏｎａｃｃｅｓａｐｏｒｔ）接口发送，从而实现任意时刻触发重新重构。当加载Ｍ镜像过程中遇到ＩＤ Ｃｏｄｅ错误、ＣＲＣ错误、ＷａｔｃｈＤｏｇ超时和Ｂ
ＰＩ地址越界错误时，ＦＰＡＧ会触发退回（ＦａｌｌＢａｃｋ）操作，同时ＦＰＧＡ内部寄存器会记录，发生退回操作后，会忽略ＩＰＲＯＧ指令，直接加载Ｇ镜像后面的配置文件，运行Ｇ镜像。
Ｘｉｌｉｎｘ７系列ＦＰＧＡ通过将ＩＲＰＯＧ指令潜入到比特流
中的方式，实现了ＦＰＧＡ的多镜像启动，确保了ＦＰＧＡ配置的可靠性。ＩＰＲＯＧ指令内容如表１所示，其中ＷＢＳＴＡＲ为ＷａｒｍＢｏｏｔＳｔａｒｔＡｄｄｒｅｓｓＲｅｇ
ｉｓｔｅｒ的缩写，即热启动地址寄存器。
表１　ＩＰＲＯＧ指令描述
序号配置数据描述１０ｘＦＦＦＦＦＦＦＦ伪数据２０ｘＡＡ９９５５６６同步字３０ｘ２００００００００等待
４０ｘ３００２０００１往ＷＢＳＴＡＲ中写１
５０ｘ００２０００００热启动地址：加载设计的地址
６０ｘ３０００８００１往ＣＭＤ寄存中写１７０ｘ０００００００ＦＩＰＲＯＧ指令
８
０ｘ３０００８００１
等待
在Ｇ镜像中通过加入ＩＰＲＯＧ指令实现了地址的跳转，当Ｍ镜像发生错误后，会触发ＦａｌｌＢａｃｋ操作，退回到基地址位
置，ＦＰＧＡ将忽略该部分指令，继续执行Ｇ镜像的后面其他部分内容，实现Ｇ镜像的加载，正常运行。Ｇ镜像中设计有远程更新程序，可以操作Ｆｌａｓｈ芯片，更新Ｍ镜像数据，从而实现对Ｍ镜像的在线更新，实现ＦＰＧＡ的远程更新和重构。
２ ３　基于犣犢犖犙的在线重构技术
ＸｉｌｉｎｘＺＹＮＱ与传统ＦＰＧＡ有着巨大的差异，是一款ＳｏＣ（可编程片上系统），拥有双核ＡＲＭＡ９处理器和７系列ＦＰ ＧＡ逻辑资源。启动过程体现了以处理器为核心这一特点，先
启动处理器（ＰＳ）再启动逻辑部分（ＰＬ），也就是ＰＬ的配置是通过ＡＲＭ核来配置的，不支持从ＰＬ端直接启动配置。ＺＹＮＱ７０００的配置按先后顺序分为３个阶段：ｓｔａｇ
ｅ０、ｓｔａｇｅ１、ｓｔａｇｅ２，其中ｓｔａｇｅ２可选。每个阶段的功能及处理过程如表２所示。
表２　ＺＹＮＱ配置过程
阶段
处理过程
ｓｔａｇ
ｅ０运行ＢｏｏｔＲＯＭ中的代码（
不可修改）：１）读取硬件启动配置引脚ＭＩＯ使能外部对应的非易失存储设备驱动，包括ＳＤ卡、ＮＯＲＦｌａｓｈ、ＮＡＮＤＦｌａｓｈ以及Ｑｕａｄ－ＳＰＩ等设备，
并开始搜索启动镜像头文件。根据启动方式不同，搜索的范围不同：ＱＳＰＩＦｌａｓｈ：１６Ｍ空
间；ＮＡＮＤＦＬａｓｈ：１２８Ｍ空间；ＮｏｒＦｌａｓｈ：３２Ｍ空间。
ＳＤ卡只加载一次，
不会搜索。２
）读取启动镜像头文件后，确定启动设备位宽、采用安全配置模式及密钥存储位置等；３
）根读取信息确定是否采用安全配置模式，安全配置模式下则启动ＰＬ侧的安全组件；４）读取信息确定代码做ＲＳＡ用户认证；５）继续读入存储设备中的数据ＦＳＢＬ；６
）对读入数据做相关安全校验，通过后存入片上存储器ＯＣＭ（Ｏｎ－Ｃｈｉｐ－Ｍｅｍｏｒｙ
），非安全模式下直接导入ＯＣＭ；７）ＣＰＵ执行导入ＯＣＭ内的ＦＳＢＬ，转入下一阶段ｓｔａｇｅ１。ｓｔａｇ
ｅ１１）初始化ＭＩＯ、ＰＬＬ（锁相环）、时钟ＣＬＫ等，在ｐｓ７＿ｉｎｉｔ函数中实现，完成ＰＳ端初始化；２）判断启动设备，扫描加载ＦＰＧＡ配置文件；
３）配置ＰＬ部分，ＦＳＢＬ通过ＰＣＡＰ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｃｏｎｆｉｇ
ｕｒａ ｔｉｏｎａｃｃｅｓｓｐｏｒｔ）接口配置ＦＰＧＡ。
４）移交给下一阶段，执行ＤＤＲ中的命令。ｓｔａｇ
ｅ２导入操作系统（可选）。
  计算机测量与控制　第２８
卷
·２１６　·根据表２中的内容可知，ＺＹＮＱ上电后先运行ＢｏｏｔＲＯＭ，初始化外部存储设备驱动程序，然后从存储设备的０地址开始，搜索第一阶段启动程序ＦＳＢＬ（ＦｉｒｓｔＳｔａｇｅＢｏ
ｏｔＬｏａｄｅｒ），然后根据ＦＳＢＬ加载ＰＬ镜像和后续的ＰＳ镜像。基于Ｑａｕｄ－ＳＰＩ（ＱＳＰＩ）Ｆｌａｓｈ启动方式的ＺＹＮＱ启动流程如图５所示
。
图５　基于ＱＳＰＩＦｌａｓｈ的ＺＹＮＱ启动流程
如图５所示，上电后，ＺＹＮＱ运行ＢｏｏｔＲＯＭ，初始化ＱＳＰＩ接口，开始读取Ｆｌａｓｈ中数据，由于ＢｏｏｔＲＯＭ能够
在线代码运行器访问ＱＳＰＩＦｌａｓｈ的最大地址为１６Ｍ，因此在此地址区间内必须存在完整的ＦＳＢＬ。到ＦＳＢＬ后，根据ＦＳＢＬ开始加载ＰＬ和ＰＳ镜像。由此可知，如果ＱＳＰＩＦｌａｓｈ中存在多个镜像文件时，ＺＹＮＱ只执行第一个镜像，第一个镜像加载不成功才会加载后面的镜像。根据此特性，可设计在线升级方案，如图６所示
。
图６　ＺＹＮＱ多镜像在ＱＳＰＩＦｌａｓｈ中的存储位置
如图６所示，在拿到一个全新的ＺＹＮＱ硬件设计后，ＱＳＰＩＦｌａｓｈ为空，不存在任何可执行的镜像文件。这时需要用ＪＴＡＧ模式，将Ｇｏｌｄｅｎ镜像下载到ＱＳＰＩＦＬａｓｈ的高地址位置，该地址要大于一个ＺＹＮＱ可执行镜像的大小，保证更新时不会破坏到Ｇ镜像。在生成镜像文件时，ＰＰＧＡ和ＡＲＭ执行文件要选择ｍｄ５校验，这样可以确保镜像的正确性和唯一性。在Ｇｏｌｄｅｎ镜像中有在线升级程序，可以根据地面指令，更新ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ镜像，即从０地址开始更新最新的镜像，由于Ｇ镜像和Ｍ镜像中的软件版本有区别，这样可
以在线验证更新是否成功。如果为成功，版本信息显示Ｇ镜像版本；如果成功则显示Ｍ镜像版本。通过这种方式可以实
现ＺＹＮＱ类器件的在线重构，简单方便，稳定可靠。
３　实验结果和分析
针对３种不同的设计方法，通过设计地面软件来实现对ＦＰＧＡ的在线重构。首先打开地面软件，选择待升级的二进制配置ｂｉｎ文件，并计算总ＣＲＣ。然后再给ＰＦＧＡ上电，ＦＰＧＡ在上电后会发送准备好信号给地面软件，地面收到该信号后会发送在线升级指令给ＦＰＧＡ，如果一分钟内未收
到在线升级指令，则ＦＰＧＡ退出在线升级状态，进入正常工作状态。收到在线升级指令后，ＦＰＧＡ开始对配置寄存器进行擦除操作，擦除完成后给地面反馈擦除结果。地面收到擦除完成指令后，开始以每６４字节为一包发送有效配置数据，直到所有都完成后，再发送总ＣＲＣ。ＦＰＧＡ对每包数据进行校验并计算ＣＲＣ，所有包完成后计算得到ＣＲＣ，并和地面传送来的ＣＲＣ进行对比，正确则烧写成功，否则烧写失败。烧写成功后，对ＦＰＧＡ重新加电，通过版本号判断是否更新成功。通过多次测试，３种方式均１００％烧写成功，可靠实现了在线升级功能。
４　结束语
针对ＦＰＧＡ类软件可以在线重构的特性，根据Ｘｉｌｉｎｘ三种不同类型的ＦＰＧＡ的不同特性，分别提出基于ＡＳＩＣ的ＦＰＧＡ在线重构技术、基于ＭｕｌｔｉＢｏｏｔ多镜像的在线重构设计以及基于ＺＹＮＱ的在线重构技术设计方法。Ｘｉｌｉｎｘ所有的ＦＰＧＡ，均可通过这三种技术中的一种或某种组合实现在线重构，解决了总装后无法进行软件更新的难题，同时保证了在线重构的安全性和可靠性，提高了设计效率。
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