基于FPGA的远程快速在线升级技术研究.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ns e t_p r o p e r t y B I T S T R E AM.C ON F I G.C ON-F I G F A L L B A C K E NA B L E c u r r e n t_d e s i g n在u p d a t e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 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 ns e t_p r o p e r t y B I T S T R E AM.C ON F I G.C ON-F I G F A L L B A C K E NA B L E c u r r e n t_d e s i g n一个 内 部 产 生 的 脉 冲(I P R OG)由N E X T_C ON F I G_A D D R触发,它设置了配置跳转到u p-d a t e镜像,该镜像的地址保存在g o l d e n镜像的WB-S T A R(W a r m B o o t S t a r t A d d r e s s)寄存器。其中0 x 0 0 9 F F C 0 0是本设计的定时器1的地址,也就是WB S T A R寄存器值,可根据实际情况设置。首先生成G o l d e n镜像,它只包括最基础的远程升级功能。然后根据项目的功能需求生成U p d a t e镜像,用X i l i n x的脚本工具生成T i m e r 1和T i m e r 2镜像,在V I VA D O里用T C L命令生成最终的m c s文件,然后用J T AG烧录,具体命令如下:w r i t e_c f g m e m-f o r c e-f o r m a t m c s-i n t e r-f a c e S P I X 4-s i z e 6 4-l o a d b i t u p 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 g o l d e n.b i t u p 0 x 0 0 9 F F B F F u p d a t e.b i t-l o a d d a t a“u p 0 x 0 0 9 F F C 0 0 t i m e r 1.b i n u p 0 x 0 0 9 F F F F F v e r-s i o n.b i n u p 0 x 0 2 C 0 0 0 0 0 t i m e r 2.b i n”g o l d e n_u p-d a t e_f u l l.m c s2.2 F P GA内部加载流程具体流程如下:(1)P F GA在f l a s h地址0处加载G o l d e n镜像,内含的I P R OG指令使得跳 转到储存在WB-S T A R寄存器里的地址,也就是定时器1的地址。(2)定时器1在较短一段时间内开始计时,寻找U p d a t e镜像的S YN C字。(3)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;如果发现出错的或丢失的数据,例如U p d a t e镜像的起始处没有S YN C字(AA 9 9 5 5 6 6),F P GA忽略数据或命令,开始一直往后面的F L A S H寻找有效的S YN C字,直到定时器1超时,此时触发回退机制,F P GA加载G o l d e n镜像。(4)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;如果在定时器2计时内发现U p d a t e区的镜像的中间或最后的数据出现破损,这种情况下F P GA没有完整加载U p d a t e镜像,定时器2触发回退机制,F P GA加载G o l d e n镜像。2.3 M u l t i b o o t上位机升级软件如图3所示,上位机升级软件通过用户数据协议(UD P)与F P GA通讯。流程如图4所示,上位机发 送F P GA擦 除 帧,当F P GA执 行 命 令 擦 除F L A S H成功后,回复上位机擦除成功确认帧,上位机开始下发要升级的数据帧,数据长度默认1 0 2 4字节。F P GA收到数据帧后首先检查序列号,判断是否有丢包、循环冗余校验(C R C)校验错误等问题,然001舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 后回复上位机数据确认帧。如果数据有误,上位机就重发这帧数据,否则上位机继续发下一帧。如果连续丢包3次,说明系统工作异常,则终止本次升级。当F P G A正 常 接 收 数 据 后 会 把 数 据 写 进F L A S H,并对数据进行回读,确保写入数据的正确性。当把所有要升级的数据完整无误写入F L A S H后,F P G A给上位机上报升级成功确认帧,升级结束。图3 M u l t i b o o t升级平台图4 上位机流程图3 测试验证3.1 升级速度测试使用不同大小的m c s可执行文件,对1片型号为x c 7 v x 6 9 0 t f f g 1 9 2 6的X i l i n x V i r t e x-7系列F P GA开 发 板 进 行 升 级 速 度 测 试,F L A S H类 型 为m x 2 5 u 6 4 3 5 f。常规方法升级时间与本文的升级方法速度对比结果绘制在图5中。图5 常规方法升级时间与本文的升级方法速度对比配置大小为1 0MB的文件,使用本文方法需要6 m i n,而常规方法需要2 0 m i n;配置大小为3 0MB的文件,使用本文方法只需要1 2 m i n,而常规方法需要接近4 3 m i n。本文的远程快速升级方式比常规P l a t f o r m C a b l e U S B调试器配置方法升级速度提高了3倍以上。考虑实际升级过程,常规方法在F P GA板卡集成大系统时,对其进行拆解、J T AG接口定位、更换调试转接头和拔插P l a t f o r m C a b l e U S B调试器等操作的时间,本文方法亦可为设备维护人员提供更高效的远程在线升级环境,大大提高了F P GA的升级速度。3.2 校验回退机制测试系统通过读取B OOT_S T ATU S寄存器各状态位的状态值判定升级状态是否正常。图6中以E R-R O R结尾的状态位值均为0,且S T ATU S_VA L I D和I NT E R NA L_P R OG值 为1,表 明 成 功 跳 转 到U p d a t e镜像,配置正确。若发生错误,错误类型对应E R R O R结尾的状态位被拉高,触发回退机制。触发回退机制的错误主要有:I D C O D E错误、C R C错误、看门狗定时器超时错误等,下面对其测试方法进行说明。(1)I D C O D E错误在生 成 的 可 执 行 文 件 中 找 到 配 置 数 据 字0 x 3 0 0 1 8 0 0 1,0 x 3 0 0 1 8 0 0 1为I D C O D E寄存器指令,后接的数据字为I D C O D E,将U p d a t e镜像中的I D-C O D E修改成错误的数据,用网络加载损坏的U p-d a t e镜像。(2)C R C错误在重设C R C指令和C R C指令之间手动修改数据,制造C R C错误,验证配置的正确性,用网络加载损坏的U p d a t e镜像。101第4期李霄,等:基于F P GA的远程快速在线升级技术研究图6 正常加载U p d a t e镜像(3)看门狗定时器超时错误将U p d a t e镜像起始的一个扇区的F L A S H擦除,导致F P GA找不到U p d a t e镜像,产生看门狗定时器超时,用网络加载损坏的U p d a t e镜像。下面模拟看门狗定时器超时错误,测试验证回退机制。配置错误发生后,P C端B OOT_S T ATU S寄存器的状态如图7所示。与图6对比分析:F A L L-B A C K为1表明U p d a t e镜像出错,触发了回退机制;WAT CHD OG_T I ME OUT_E R R O R值为1指明错误原因为看门狗定时器超时错误;S T ATU S_VA L I D和I NT E R NA L_P R OG为1表明回退机制成功启动并配置了G o l d e n安全镜像,配置文件回退成功,F P GA以升级前的安全版本继续运行。图7 M u l t i b o o t回退到G o l d e n镜像 另外,在2.3节图3中,通过上位机软件中的版本号查询,可直接获取当前的程序版本。4 结束语本文基于F P GA可执行文件,通过M u l t i b o o t技术,对F L A S H芯片进行自定义分区规划,并分别存放G o l d e n、T i m e r 1、U p d a t e以及T i m e r 2。其中,T i m e r 1和T i m e r 2是看门狗,保证烧写途中断电或C R C校验错误导致加载失败后能返回G o l d e n,用户能够重新升级,G o l d e n是具有最基础的远程升级功能的镜像,U p d a t e是用户根据项目需求生成的镜像且具有远程升级功能。电脑端M u l t i b o o t升级平台在升级下载时与F P GA同时检查序列号,判断是否有丢包、C R C校验错误等问题。本文方法采用双备份方式,安全可靠,确保写入数据的正确性。本文为复杂电子对抗系统维护过程中大量F P-GA的批量升级需求提供了一种解决方法。该方法不需要多次现场拔插设备J T A G调试接口,利用设备自身通信接口进行远程在线快速升级,从F P G A配置机制上降低了配置复杂度,具备出错后及时回退机制。本文方法能够节省F P G A升级配置时间及成本,降低F P G A分批多次配置的复杂度,提高F P G A升级配置的安全性,可为平日或战时设备维护升级争取大量宝贵时间,亦对通用硬件架构的软件可重定义提供了快速实现途径,具有一定的工程实用价值。(下转第1 2 0页)201舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 可以看出Q的各个分量均在M的5%以内,满足1 0%精度的要求,认为本次优化的结果可用。4 冷板热仿真热仿真仿真边界条件如下:(1)环境温度3 5;(2)入口处冷却液温度为3 5;(3)冷却液类型为去离子水;(4)3 2个1 5 W热源共4 8 0 W。图9、图1 0为流道优化前后的仿真结果。图9 流道优化后热仿真结果图1 0 流道优化前热仿真结果 对比观察图9与图1 0,可以明显地发现优化后的流道结构 对多热源的 温度一致性 有 了 明 显提升。5 结束语本文通过对液冷冷板中并联流道建立参数化优化模型进行分析计算,得到了一种可以优化并联流道流量分配的分析方法,对类似的单冷板上分布有多个大功率器件并对温度一致性要求较高的情景有一定的参考意义。参考文献1 付祥钊.王岳人.王元,等.流体输配管网M.北京:中国建筑工业出版社,2 0 0 1.2 关宏山.某相控阵雷达液冷流量分 配系 统研 究 J.2 0 2 1,2 7(4):9 1 2.3 华绍曾,杨学宁.实用流体阻力手册M.北京:国防工业出版社,1 9 8 5.4 杨涛.船载水冷机柜的结构及散热分析J.舰船电子对抗,2 0 2 2,4 5(5):1 0 6 1 1 0.5 苏志强.基于I c e p a r k的某电子设备散热设计J.舰船电子对抗,2 0 2 0,4 3(3):1 2 6 1 2 8.(上接第1 0 2页)参考文献1 张永乐,王永勇,郑炜.一种基于F P GA的在线程序升级方案J.电子技术应用,2 0 1 7(3):4 8 5 4.2 关珊珊,周洁敏.基于X i l i n x F P G A的S P I F L A S H控制器设计与验证J.电子器件,2 0 1 2(2):2 1 6 2 2 0.3 陈召全.特殊环境下F P G A代码在线升级功能的实现J.电子设计工程,2 0 2 1,2 9(2 3):1 2 8 1 3 2.4 林天静,阮翔,刘春.基于F L A S H控制器的F P G A在线加载功能设计J.电子技术应用,2 0 1 9,4 5(1):8 89 1.021舰 船 电 子 对 抗第4 6卷