機載FC網絡設備可編程邏輯遠程升級方法研究

李斌 武健

摘要：本文提出一種FC網絡設備可編程邏輯遠程在線升級維護方法，通過在FC網絡設備中增加代理邏輯和軟件，由控制端基于自定義交互控制協議完成代理端FC設備可編程邏輯文件的固化存儲。以Xilinx Virtex5 芯片為例的系統設計證明了本方法可行并且高效，一個控制端能控制相連的所有FC設備并行、快速地維護可編程邏輯，有效提高了系統維護效率，降低了維護成本。

關鍵詞：FC網絡 可編程邏輯 升級

引言

面向綜合化模塊化的航空電子系統通常采用分布式、開放體系架構，并通過高速光纖通道（FC， Fibre Channel）交換網絡實現資源、信息共享和系統功能綜合。機載FC網絡系統由一組網絡終端設備和網絡交換設備構成，網絡終端設備和網絡交換設備統稱為FC網絡設備。其中，FC網絡交換設備是FC交換網絡系統的核心部件，所有FC網絡終端設備通過物理鏈路與網絡交換設備相連，網絡終端設備作為機載系統傳感、計算、作動等功能設備的通信接口為其提供通信服務。

通常情況下，為滿足航空電子系統需求變化、功能升級或優化配置等要求，FC網絡設備的主要功能采用現場可編程門陣列（FPGA， Field–Programmable Gate Array）實現。傳統的FPGA升級維護采用JTAG接口連接FPGA將新邏輯燒寫到PROM中完成，但是這種方式存在諸多不足，首先，操作不方便，在機載環境下，各種功能模塊都被裝進機箱里，如果需要對其中邏輯進行升級就必須拆開機箱取出模塊，過程繁瑣而且容易造成設備損壞;其次，編程速度慢，JTAG編程速度較慢，一般200T的邏輯即使在選擇最高速率時仍然需要大于10分鐘;不能并行操作，若要同時升級多個FC設備的可編程邏輯，則需要多個FPGA仿真器及相應的軟件環境。由于以上原因，對于上百個節點機構成的FC網絡，若采用JTAG接口升級其中所有FC設備邏輯，則非常耗時耗力。

本文提出一種遠程升級FC設備可編程邏輯的方法，為FC設備邏輯升級提供除通過JTAG升級的另外一種途徑，支持不拆卸硬件、快速、并行升級多個FC設備的可編程邏輯。

1 系統組成

為實現FC設備的可編程邏輯遠程升級維護，構建如圖 1所示的系統，該系統由一個控制端和相連的FC設備的代理端組成，代理端和控制端通過自定義的交互協議基于FC網絡或者以太網完成交互。

2 代理端

代理端由代理邏輯和代理軟件兩部分組成。代理邏輯是在主要功能邏輯中增加的用于PROM訪問控制的邏輯功能模塊;代理軟件作為FC設備驅動軟件的一部分運行于嵌入式目標機上，它接收控制端發送的邏輯文件，并依據其控制指令實現邏輯文件編程。

2.1代理邏輯

如圖 2所示為代理邏輯示意圖。在FC網絡設備的主要功能邏輯中增加PROM訪問代理邏輯，兩部分邏輯共用主機接口資源。代理邏輯包括部分主機接口邏輯和PROM控制接口邏輯，其中，主機接口可以是PCI/PCIe或者RapidIO等常用總線接口。代理邏輯用于執行代理軟件下發的PROM讀寫操作。由于邏輯在運行時是并行進行的，所以加入代理邏輯不會對主要功能邏輯產生影響。

在代理軟件訪問PROM過程中，代理邏輯解析主機接口的命令，產生讀或者寫操作至PROM訪問接口，并在特定的時間點上撤銷命令結束操作。如果是讀操作還需要在特定的時間點上鎖存總線上的數據并傳遞給主機接口。PROM讀寫訪問對各個信號跳變的時間有嚴格要求。為了保證正確的讀寫訪問，設計必須滿足其要求的時序。

2.2代理軟件

代理軟件運行于嵌入式目標機處理器上，與控制端軟件通過網絡進行信息交互，依據控制軟件的命令完成PROM編程。

代理軟件首先接收控制端發送的邏輯文件記錄行，通過解析記錄行獲取有效數據和目標地址，然后調用相應的RPOM訪問驅動接口，將有效數據寫入目標地址，即可實現邏輯文件的更新。

與一般FLASH相似，對PROM的編程也遵循相應的命令序列。以Virtex-5系列PROM手冊中詳細描述了PROM讀、擦除、編程等功能的命令序列要求，依此可實現PROM的訪問控制驅動接口，具體實現不再贅述。

記錄行是指邏輯文件（*.mcs）中的一行記錄，其數據格式分為32位和16位兩種，16位格式支持20位段地址空間，32位支持32位線性地址空間。Virtex-5系列FPGA使用的是32位格式。每個記錄（行）包括數據長度、數據類型、地址、有效數據以及校驗和信息。

圖 3所示代理軟件中PROM編程流程圖，其步驟如下：

a.等待接收邏輯（*.mcs）文件的第i行記錄;

b.依據文件格式定義解析第i行記錄;

c.若記錄類型為04，則更新基址，轉步驟（a），等待接收下一行記錄，（i=i+1）;

d.若記錄類型為00，則根據當前的基址計算地址，寫入數據后進行行記錄校驗，轉步驟（a），讀取下一行記錄，（i=i+1）;

e.若類型為01，則為文件結束標識，編程結束。

f.其中，數據的寫入地址由基地址和偏移兩部分構成，04類型記錄為當前基地址，00記錄類型為當前偏移，由兩部分相加即可得到實際的地址。另外，文件解析所得地址為字節地址，即其以字節為單位進行編址，而PROM地址以字（16位）為單位進行編址，因此需要注意字節地址和字地址的轉換。

3 控制端

控制端是一個運行在PC機上的軟件，具有圖形化用戶界面的軟件，它通過FC網絡或者以太網將邏輯（*.mcs）文件傳輸至代理端，并通過相應的交互協議控制代理端軟件實現FC節點機FPGA邏輯遠程升級。一個控制端能同時控制網絡中所有FC目標設備進行可編程邏輯升級維護。

4 交互協議

控制端通過FC網絡或者以太網將可編程邏輯文件傳輸至代理端。其處理流程如下。圖 4所示為控制端與代理端之間的交互流程。

a.控制軟件首先發起邏輯升級請求，請求中攜帶軟件版本信息和編程密鑰;

b.代理軟件收到邏輯升級請求后，檢查版本信息是否匹配，編程密鑰是否正確，并將結果反饋至控制軟件;

c.版本及密鑰正確時控制軟件啟動編程，否則結束流程;

d.控制軟件讀取待更新邏輯文件的第i行記錄并發送至代理軟件;

e.代理軟件收到第i行記錄后進入如圖2所示的編程流程，并將結果反饋至控制端軟件;

f.控制軟件檢查當前記錄行編程結果，如果正確則轉（d），i=i+1;否則顯示錯誤信息，并退出;

g.當全部記錄行編程結束后進入校驗環節，控制端軟件發送第i行記錄校驗請求;

h. 代理軟件收到第i行校驗請求后依據計算所得偏移地址和長度調用驅動接口讀取已完成編程的數據，并將數據發送反饋至控制軟件;

i. 控制軟件收到第i行數據后與第i行記錄文件進行數據比對，檢查是否一致，比對正確時轉步驟（g），否則顯示錯誤信息并退出;

j.當全部記錄行校驗結束后，控制軟件發送結束請求;

k.代理軟件收到結束請求后，釋放相應資源并回復應答;

l.邏輯升級結束。

5 結束語

提出一種遠程升級FC網絡設備可編程邏輯的方法，為FC網絡設備邏輯升級提供除通過JTAG升級的另外一種途徑。該方法無需拆卸硬件和額外的輔助工具，具有操作簡單、編程速度快、可支持并行升級等優點。控制軟件可同時控制全網絡FC設備可編程邏輯升級，極大地提升了升級維護效率。

參考文獻

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