回讀FPGA產(chǎn)品的通用仿真模型搭建與驗(yàn)證

陳恩耀　陳云　俞帆　祝周榮　劉國(guó)斌

摘要：為了提高仿真測(cè)試人員的工作效率，本文提出了一種通用的回讀FPGA產(chǎn)品的仿真模型。在該模型中，仿真測(cè)試人員可以根據(jù)不同型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)配置，對(duì)回讀的設(shè)計(jì)代碼進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該模型可以適用于絕大多數(shù)的回讀產(chǎn)品，仿真測(cè)試結(jié)果正確，并且可以有效提高仿真測(cè)試效率，避免測(cè)試人員對(duì)各個(gè)回讀FPGA產(chǎn)品進(jìn)行模型的重復(fù)搭建。

關(guān)鍵詞：FPGA；回讀產(chǎn)品；通用仿真模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0110-03

在航天FPGA產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)師使用的是Xilinx芯片，為了防止宇宙中單粒子翻轉(zhuǎn)，相應(yīng)的回讀FPGA產(chǎn)品同時(shí)被設(shè)計(jì)。回讀FPGA產(chǎn)品一般使用Actel系列的芯片，例如A54SX32A、A54SX72A等芯片。由于被回讀的Xilinx芯片種類(lèi)繁多，包括XQVR300、XQR2V3000、XC4VSX55等等[1]，相應(yīng)的回讀FPGA產(chǎn)品代碼也樣式各異，因此給測(cè)試工作帶來(lái)較大的難度。本文研究一種通用的仿真模型，適用于大多數(shù)回讀FPGA產(chǎn)品的測(cè)評(píng)工作。

本文第2節(jié)介紹通用回讀FPGA測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)件；第3節(jié)介紹可配置的回讀產(chǎn)品仿真平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)方法；第4節(jié)介紹仿真測(cè)試結(jié)果與分析；第5節(jié)給出結(jié)論。

1 通用回讀FPGA測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)件

對(duì)于一個(gè)通用的回讀測(cè)試平臺(tái)，基本要素包括Xilinx FPGA的回讀模型，一個(gè)PROM的模型，可能還包括一些CPU的模型和其它外設(shè)模型。回讀模型的工作原理是：上電后，開(kāi)始進(jìn)行加載操作，回讀產(chǎn)品將原先置于PROM中的Xilinx FPGA bit文件加載到Xilinx FPGA中，加載完成之后，進(jìn)行回讀操作。一方面從Xilinx FPGA內(nèi)部讀回配置區(qū)數(shù)據(jù)，一方面從PROM中讀取加載數(shù)據(jù)，當(dāng)從PROM中讀出的數(shù)據(jù)與Xilinx FPGA 配置區(qū)讀回的數(shù)據(jù)一致時(shí)，表明回讀校驗(yàn)正確。當(dāng)從PROM中讀出的數(shù)據(jù)與Xilinx FPGA 配置區(qū)讀回的數(shù)據(jù)有至少1bit不一致時(shí)，回讀產(chǎn)品發(fā)出prog脈沖，對(duì)Xilinx FPGA進(jìn)行重新加載。這樣每隔一定的時(shí)間，進(jìn)行回讀操作，可以有效防止Xilinx FPGA在太空中發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的情況。

由于設(shè)計(jì)師使用的Xilinx芯片種類(lèi)繁多，即使對(duì)于相同的芯片，設(shè)計(jì)方訪問(wèn)和操作的Xilinx FPGA內(nèi)部的寄存器也不盡相同。測(cè)評(píng)人員如果對(duì)于每一款產(chǎn)品均搭建測(cè)試激勵(lì)，必然消耗大量的時(shí)間。對(duì)于型號(hào)任務(wù)重，項(xiàng)目周期短的測(cè)試人員來(lái)說(shuō)，在短時(shí)間內(nèi)能夠按時(shí)按質(zhì)的完成測(cè)評(píng)項(xiàng)目無(wú)疑是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。而由于測(cè)評(píng)人員測(cè)評(píng)水平各異，也不能保證所有測(cè)評(píng)人員搭建的測(cè)試平臺(tái)能完全滿(mǎn)足要求，因此回讀FPGA產(chǎn)品的通用仿真模型的搭建迫在眉睫。本文提出一個(gè)通用回讀測(cè)試平臺(tái)的搭建模型，如圖1所示。在一個(gè)通用回讀測(cè)試平臺(tái)中，可以通過(guò)sel_fpga信號(hào)選擇需要模擬的被回讀FPGA產(chǎn)品的型號(hào)，通過(guò)sel_prom信號(hào)選擇需要模擬的對(duì)FPGA進(jìn)行配置的PROM芯片型號(hào)。通過(guò)簡(jiǎn)易的配置，可以完成回讀產(chǎn)品仿真模型的初步搭建。

2 可配置的回讀產(chǎn)品仿真平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)方法

與Xilinx FPGA回讀功能的接口一般為SelectMap接口或者是JTAG接口，本文搭建的平臺(tái)是基于型號(hào)中使用較多的SelectMap接口下的回讀產(chǎn)品，基于JTAG接口下的回讀產(chǎn)品仿真平臺(tái)類(lèi)似，只是接口有區(qū)別，狀態(tài)機(jī)寫(xiě)法不一致，將后續(xù)進(jìn)行研究。

可配置的回讀產(chǎn)品仿真平臺(tái)的可配置內(nèi)容包括兩部分，通用FPGA 模型可配置與通用PROM模型可配置。

（1）通用FPGA 模型可配置又包括芯片可配置與訪問(wèn)的寄存器可配置：

1）芯片可配置。本設(shè)計(jì)針對(duì)不同款FPGA的型號(hào)設(shè)計(jì)了1個(gè)片選參數(shù)sel_fpga，即針對(duì)不同款被回讀的芯片，根據(jù)芯片手冊(cè)要求，相應(yīng)地配置回讀幾部分?jǐn)?shù)據(jù)、回讀數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)度和回讀數(shù)據(jù)幀數(shù)。例如當(dāng)參數(shù)sel_fpga指向XCV300（XQVR300）系列芯片時(shí)，仿真平臺(tái)只提供1部分回讀程序，一共回讀2474個(gè)frame和1個(gè)pad幀，一共207900個(gè)字節(jié)。當(dāng)參數(shù)sel_fpga指向XC2V3000 （XQR2V3000）系列芯片，仿真平臺(tái)提供3部分回讀，第1部分回讀CLB、IOI等，包括1287 個(gè)frames與 1個(gè)pad frame，第2部分回讀第1部分最后1幀，包括1個(gè)frames，第三部分讀取BRAM INT，包括132個(gè)frames和1個(gè)pad frame[2]。 Xilinx fpga的各款芯片具體回讀方案如表1所示[1][2][3][4]：

2）訪問(wèn)的寄存器可配置。不同的設(shè)計(jì)師會(huì)增加對(duì)不同的寄存器的訪問(wèn)以確認(rèn)被回讀的芯片能正常運(yùn)行，當(dāng)校驗(yàn)芯片能正常運(yùn)行之后，開(kāi)始進(jìn)行回讀操作。這類(lèi)可配置的寄存器有CMD、FAR、FDRI等寄存器。仿真平臺(tái)通過(guò)解析回讀產(chǎn)品的訪問(wèn)指令，配置如表2所示的各個(gè)寄存器，配置寄存器的原代碼如表3所示。

（2）通用PROM模型可配置：通過(guò)對(duì)sel_prom信號(hào)的選擇，根據(jù)芯片手冊(cè)要求，對(duì)接口時(shí)序的參數(shù)進(jìn)行配置。通過(guò)完成對(duì)FPGA 模型的配置與PROM模型的配置，通用回讀FPGA產(chǎn)品的仿真模型也同時(shí)完成了搭建。

3 仿真測(cè)試結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)選用的回讀FPGA產(chǎn)品型號(hào)為ACTEL公司A54SX 32A，被回讀的Xilinx FPGA型號(hào)為XQVR300-4CB228V，回讀設(shè)計(jì)人員對(duì)該回讀FPGA的設(shè)計(jì)除了最基本的回讀功能外，還增加了SEFI檢測(cè)功能，包括對(duì)FAR寄存器的檢測(cè)和狀態(tài)寄存器的檢測(cè)。

3.1 考慮整個(gè)回讀流程

在整個(gè)回讀流程中，設(shè)計(jì)師增加對(duì)FAR寄存器的檢測(cè)和狀態(tài)寄存器的檢測(cè)。

（1）FAR寄存器的檢測(cè)：首先向FAR寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)完從FAR寄存器中讀回?cái)?shù)據(jù)，如果等待16個(gè)時(shí)鐘周期，從被回讀芯片返回的busy信號(hào)沒(méi)有跳變?yōu)榈停瑒t認(rèn)定發(fā)生了SEFI。

（2）狀態(tài)寄存器（STAT）的檢測(cè)：當(dāng)回讀產(chǎn)品認(rèn)定未發(fā)生SEFI后進(jìn)行狀態(tài)寄存器的校驗(yàn)，即讀狀態(tài)寄存器，如果狀態(tài)寄存器的第4/5/6/7位任意一位返回0，則認(rèn)定發(fā)生了SEFI[4]。

通用測(cè)試平臺(tái)正好能夠契合設(shè)計(jì)需求，當(dāng)回讀設(shè)計(jì)軟件發(fā)出寫(xiě)FAR寄存器后，測(cè)試平臺(tái)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包的解析，F(xiàn)AR寄存器更新為待寫(xiě)入的值。當(dāng)回讀產(chǎn)品發(fā)出讀FAR寄存器的指令后，平臺(tái)將FAR寄存器的值返回給回讀FPGA產(chǎn)品；當(dāng)回讀設(shè)計(jì)軟件發(fā)出讀狀態(tài)寄存器的指令后，平臺(tái)將狀態(tài)寄存器的值返回給回讀FPGA產(chǎn)品；從而完成了回讀設(shè)計(jì)軟件對(duì)寄存器的操作要求。當(dāng)回讀FPGA產(chǎn)品判定被回讀的FPGA未發(fā)生SEFI后，開(kāi)始發(fā)出指令進(jìn)行回讀操作。由于被回讀的芯片型號(hào)為XQVR300-4CB228V，因此只有1次回讀操作，一共回讀2474個(gè)CLB幀和1個(gè)pad幀，每幀長(zhǎng)度為84個(gè)字節(jié)，一共回讀207900個(gè)字節(jié)。

3.2 通用回讀仿真模型的仿真和測(cè)試

為了驗(yàn)證本測(cè)試模型的準(zhǔn)確性，我們采用VCS 仿真工具，對(duì)被測(cè)回讀FPGA產(chǎn)品進(jìn)行仿真測(cè)試。

在進(jìn)行FAR檢測(cè)時(shí)，回讀產(chǎn)品向幀地址寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)32h00ec8300，寫(xiě)完之后發(fā)出指令回讀該寄存器，由圖3可知，回讀產(chǎn)品從仿真模型中讀回該數(shù)據(jù)，存入寄存器far_reg。經(jīng)比對(duì)，讀回的數(shù)據(jù)與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)一致，表明FAR校驗(yàn)成功。

當(dāng)FAR校驗(yàn)成功后，開(kāi)始進(jìn)行狀態(tài)寄存器檢測(cè)，狀態(tài)寄存器讀回的數(shù)據(jù)為8h0f，存入寄存器stat_reg，表明狀態(tài)寄存器檢測(cè)成功。

當(dāng)FAR校驗(yàn)與狀態(tài)寄存器校驗(yàn)成功后，開(kāi)始進(jìn)行回讀操作，當(dāng)Xilinx芯片配置信息最后1bit發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，error_cnt計(jì)數(shù)器加1，系統(tǒng)在3.06S后重新發(fā)出約120ms的prog低電平脈沖，使回讀FPGA產(chǎn)品對(duì)被回讀芯片進(jìn)行重新加載。該過(guò)程表明回讀校驗(yàn)功能正確，回讀產(chǎn)品可以有效防止Xilinx FPGA芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種回讀FPGA產(chǎn)品的通用仿真模型的搭建方法。首先介紹了通用回讀FPGA產(chǎn)品的測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)件，之后介紹了可配置的回讀產(chǎn)品仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)選取型號(hào)軟件驗(yàn)證了該平臺(tái)可以準(zhǔn)確進(jìn)行回讀FPGA產(chǎn)品的仿真測(cè)試工作。測(cè)試結(jié)果表明，該通用仿真模型能滿(mǎn)足絕大多數(shù)型號(hào)回讀產(chǎn)品的需求，能提高測(cè)試人員的效率，保證測(cè)試質(zhì)量，并且給回讀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]Virtex-II Platform FPGA User Guide-UG002（ v2.0）[EB /OL].2005-03-23.

[2]Correcting Single-Event Upsets in Virtex-II Platform FPGA Configuration Memory -XAPP779（v1.1）[EB /OL].2007-02-19.

[3]Correcting Single-Event Upsets in Virtex-4 Platform FPGA Configuration Memory -XAPP988（v1.0）[EB /OL].2008-03-13.

[4]Correcting Single-Upsets in Virtex-4 FPGA Configuration Memory-XAPP1088（v1.0）[EB /OL].2009-10-05.