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[导读] 摘 要: Xilinx 7系列FPGA是Xilinx公司最新推出的一个芯片系列,Kintex7是该系列芯片中的一种,拥有大量的可编程资源。即便如此,在一些多模式的大型复杂的系统设计中,芯片的资源

摘 要: Xilinx 7系列FPGA是Xilinx公司最新推出的一个芯片系列,Kintex7是该系列芯片中的一种,拥有大量的可编程资源。即便如此,在一些多模式的大型复杂的系统设计中,芯片的资源还是远远不能满足设计需求。FPGA的多重加载可以解决可编程资源不足的难题。FPGA多重加载是将设计的多个模式的比特文件存储到Flash,用户可以根据需要选择加载不同模式的比特文件。FPGA的多重加载解决了可编程资源不足的问题,提高了FPGA可编程资源的利用率。

随着通信技术的快速发展,多模式通信体制在现代通信中广泛存在,如时分多址、空分多址、空分多址、频分多址等。而调制、解调技术又分为FM、FSK、BPSK、QPSK等多种调制及解调技术。在一个通信系统中往往采用多种通信模式,这对硬件设备资源提出了比较高的要求,特别是对可编程芯片资源的要求。另外,多模式系统设计的复杂性也大大提高,同时对系统的维护和升级提出了挑战。

近些年FPGA技术得到了飞速的发展,其作为可编程资源广泛应用在大型复杂通信系统设计中。尽管FPGA在资源集成度方面近些年取得了可观的成果,但是在多模式的大型系统设计中,单片FPGA资源远远不能够满足设计需求,有时可能需要多个芯片。然而FPGA价格相对较高,这大大提高了设计成本,而且不易于产品升级和维护。

FPGA多重加载技术[1-2]实际是对可编程资源的复用,用户可以根据需求选择加载不同的比特文件,从而实现多模式功能。FPGA多重加载技术可以解决可编程资源不足的问题,提高了可编程资源的利用率,同时降低了系统设计的复杂性,增加了系统设计的灵活性,减小了多模式系统的耦合性,便于系统升级和维护。

1 硬件设计

Kintex7和SPI Flash物理连接的硬件设计如图1所示。SPI Flash的容量选择与设计的加载模式的个数和FPGA芯片的种类有关,本设计实现4种模式切换,SPI Flash内存储4个比特文件,SPI Flash的容量是512 Mbit。

2 控制部分的设计

控制部分的设计是基于PowerPC[3]处理器实现的,用于对整个数据采集系统的控制,这里只对FPGA模式加载控制做简单说明。FPGA的加载模式控制信息由上位机发送,上位机的1 G(TCP协议)网络将加载模式控制信息发送到数据采集系统的1 G网络;数据采集系统控制部分解析TCP数据包,提取有效信息,判断加载模式,将加载信息通过EPC(外设控制器)写到FPGA的寄存器中,Kintex7会根据寄存器中的值选择加载模式。外设控制器(EPC)是FPGA与PowerPC之间通信的桥梁,在重加载控制过程中主要负责传递加载模式信息到FPGA寄存器内,另外还需要将加载成功后的模式信息进行回读,并且通过1 G网络送到上位机界面,判断是否重加载成功。嵌入式控制部分的设计如图2所示。

3 重加载模块的设计

IRPOG命令序列是实现FPGA重加载的重要环节。IPROG命令的效果与在PROGRAM_B引脚产生一个脉冲的效果类似,但是IPROG命令不对重配置[4]逻辑进行复位。Kintex7内部ICAPE2模块能够执行IPROG命令,IPROG命令触发FPGA从SPI Flash中重新加载比特文件,加载地址是Kintex7中WBSTAR寄存器指定的地址。IPROG命令发送后,FPGA完成3个动作:发送同步字节(AA995566);向Kintex7的WBSTAR寄存器写入下一个加载地址(表1地址为00000000);发送IPORG命令(0000000F)。表1是通过ICAPE2向重配置模块发送IPROG命令的比特流,MulTIboot[5]控制器用一个状态机向ICAPE2发送表1中的IPROG命令序列。一般情况下,重配置控制器等待外部的激励信号,当激励信号到达后,控制器向ICAPE2发送表1命令序列,在发送命令序列之前,控制器先把WRITE端口置为低电平,在下一个时钟的上升沿把CE端口置为低电平,接下来发送表1指令序列。

FPGA内的重配置逻辑接收到IPROG命令后,FPGA执行复位操作,但不对重配置逻辑进行复位,并且将INIT_B和DONE引脚拉低。FPGA清除了所有的配置存储后,INIT_B端口被拉高。最后,WBSTAR寄存器的值被用来重新配置FPGA。

IPROG命令序列通过状态机实现,状态机中最少有8个状态才能生成整个IPROG命令序列,否则,IPROG命令序列不能够生成,FPGA不能重新配置。另外,IPROG命令的发送由ICAPE2模块执行,ICAPE2模块的输出时序和SelectMAP的输出时序是一致的,SelectMAP的输出数据格式是位转换格式,所以IPROG命令序列生成的过程中需要将配置数据进行位转换。这里位转换是指字节内位转换,即最高有效位变为最低有效位,以此为规则进行字节内的位互换。位转换结果如表2所示。

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