FPGA版本智能管理與升級技術方案設計

摘要：網絡通信設備在客戶現場部署后，客戶需求變化了或者設備有些待修復問題，經常會面臨FPGA（Field Programmable Gate Array）版本管理與升級的技術需求。研究FPGA版本管理與升級機制是提高網絡演進能力的關鍵技術之一，高可靠性的設計與快速實現無疑具有重要的實踐意義。該文提出了一種FPGA版本智能數字引導升級的方法，該方案已在數據中心通信設備中實現，仿真和測試結果表明該方案具有優越的升級性能。

關鍵詞：網絡通信；FPGA版本管理與升級；智能化設計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.037

中圖分類號：TP 393 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Design of FPGA Version Intelligent Management and Upgrade Technology Solution

TANG Shiqing

（Shanghai Nokia Bell Software Co.， Ltd.， Shanghai 201206， China）

Abstract： After the deployment of network communication equipment at the customer's site， if the customer's requirements change or the equipment has some issues that need to be repaired， it often faces the technical requirements of FPGA （Field Programmable Gate Array） version management and upgrading. Studying FPGA version management and upgrade mechanisms is one of the key technologies to improve network evolution capabilities， and the design and rapid implementation of high reliability undoubtedly have important practical significance. The article proposes a method for FPGA version intelligent digital guidance upgrade， which has been implemented in data center communication equipment. Simulation and test results show that this scheme has superior upgrade performance.

Keywords： network communication; FPGA version management and upgrading; intelligent design

1 研究背景

隨著5G大規模商用部署的實現，對于光傳送網（Optical Transport Network，OTN）的帶寬、時延和保護性能提出了更高的要求[1]。不斷演進保護技術是提高網絡生存能力的關鍵技術，研究FPGA版本管理與升級機制，提高FPGA版本保護的可靠性和快速性，在實踐上有著重要的意義。當前的電信設備業務板卡上有多個FPGA器件如Intel Cyclone V、Arria V等，選擇可靠加載方案非常必要。在實驗室環境下FPGA版本加載，可以采用JTAG（Joint Test Action Group）加載方式，如SOF（SRAM Object File）文件格式，其優點是接口簡單，而其缺點是依賴硬件連線、遠程操作不方便等[2]。在軟件環境下，可以采用CPU（Central Processing Unit）模擬方式，如模擬JTAG或者SPI（Serial Peripheral Interface）總線[3]，這種方式優點是靈活、不依賴硬件設備，其缺點是加載速度慢、不容易恢復等。PCIE（Peripheral Component Interconnect Express）加載FPGA方式，其優點是速度快[4]，但是PCIE IP（Intelligent Property）硬件成本較高、控制復雜。上述FPGA版本升級技術方案總結見表1。本文提出了一種智能FPGA數字引導升級技術的方案，是一種自治決策、自我管理、高可靠性、遠程升級便捷FPGA加載方式，其能夠減少FPGA版本切換和升級時間，更好地滿足低延時、高速率、大帶寬、可靠性等客戶需求。

2 FPGA版本管理與升級控制智能化設計

2.1 FPGA版本智能雙啟動

一個智能雙啟動FPGA版本管理包含一個工廠測試版本和一個客戶應用版本。FPGA外接FLASH儲存一份工廠測試版本和至少一份客戶應用版本。上電后，FPGA工作在工廠測試版本，然后自動切換到客戶應用版本。如果加載客戶應用版本失敗或者缺失，則返回到工廠測試版本，這樣避免設備脫離網絡控制。版本的編碼關聯到相關控制信號，然后輸入到FPGA版本管理與升級智能控制器。智能控制器根據這些輸入信息結合當前狀態，發出自主控制動作，同時提供管理報文信息，其原理如圖1所示。

2.2 FPGA多版本管理與智能決策

FPGA多版本管理與智能決策，支持7個FPGA應用版本，版本智能切換升級，適配不同外部接口應用，如圖2所示。

一個智能FPGA版本管理與控制設計，包括工廠版本配置決策、版本數字引導、看門狗定時器、應用版本系列配置、以及控制信息。如果配置錯誤或者重選版本，由智能控制器自動決策，進行配置和升級。工廠版本配置決策，根據版本數字號引導，結合當前的工作狀態，得出下一工作狀態，再查看看門狗定時器狀態信息，然后選擇應用版本。應用版本控制選擇版本1至7，智能切換不同的版本配置。如果配置錯誤或者加載失敗，則FPGA將恢復到工廠版本。來自各應用版本配置錯誤信號，產生的反饋信號到工廠版本決策控制器。看門狗定時器模塊防止版本錯誤或者系統崩潰。版本數字引導，可以自治完成版本升級，降低客戶的維護成本。

2.3 FPGA版本智能多選設計

2.3.1 智能多選設計

通過數字化版本號引導，抽象化方式實現智能多選設計。將各FPGA應用版本數字化編碼，如3’b000：對應FPGA工廠版本，3’b001：對應FPGA應用版本1，以此類推，3’b111：對應FPGA應用版本7，如圖3所示。這樣，FPGA版本靈活分配和智能管理。不同應用場景中，業務芯片接口會有不同，這時只需要適配版本編碼，不需要對整個FPGA進行改動。

FPGA工廠版本主要完成工廠生產測試基本需求，而應用版本1至7適用不同的功能需求。在上電后，FPGA工作在工廠版本，然后根據版本賬號自動選擇應用版本1至7，這樣更好滿足客戶快速升級需求。

FPGA與flash之間接口有時鐘線CLK、片選線CS、數據線DATA0或者DATA0～DATA4。可以選擇SPI X1或者QSPI X4模式。設計方案可以工作頻率如100 MHz，X4模式帶寬高達400 Mbps。一般10 M字節FPGA版本，0.2 s可以完成燒寫。

一個客戶板卡與網元內多個板卡協同工作，因此存在FPGA控制信息傳輸鏈路。FPGA版本控制器與CPU通過總線連接，然后通過以太網接口與網絡服務器通信，這樣建立了通信鏈路。

圖3 FPGA多版本的管理與升級設計

2.3.2 FPGA智能雙啟動網元測試

智能雙啟動網元測試，如圖4所示，網元NE1（Network Element）和NE2構成子網（sub network）連接，客戶設備分別與網元NE1和網元NE2相連接。FPGA智能雙啟動工廠測試或者客戶應用模式，二者存放在芯片不同地址空間。網元啟動工廠測試版本，用于工廠生產測試。也可啟動不同應用版本，滿足客戶差異化測試。

圖4 網元設備智能雙啟動互聯測試

2.4 FPGA版本智能管理與升級測試

FPGA版本智能化，支持七個應用版本和一個工廠版本。智能控制器切換版本，如圖5所示。clock為時鐘信號，切換時間為5 us，對于通信網要求的50 ms保護倒換時間是非常快速的。該方案實際測試結果，也進一步驗證了FPGA版本智能化的優越性能。圖6對比了FPGA智能升級與常規升級時間，常規升級時間隨著版本文件大小增加而線性增加，而本文方法升級時間幾乎沒有明顯增加。

圖5 FPGA版本智能管理與升級時序

3 結束語

本文提出FPGA版本智能管理與升級方法，通過抽象化、數字化和智能化等方式，適配不同物理應用接口和多種工作場景。智能化設計極大減少了維護工作量，同時提高了可靠性，加快了上市步伐，保障了客戶設備業務穩定運行。這項技術不限于光傳送網絡產品中，對于其他領域FPGA設計也具備參考和實用價值。

參考文獻

[1] 王曉輝，劉玉婷．Stratix系列FPGA可實現遠程升級的系統設計[J]．單片機與嵌入式系統應用，2023（9）：66-73．

[2] 朱道山．遠程在線更新FPGA多版本程序的方法[J]．單片機與嵌入式系統應用，2023（6）：4-7．

[3] 梁輝，周建燁，袁行猛．基于PCIE+x86系統的毫米波信號實時處理研究及FPGA實現[J]．電子產品世界，2023（5）：12-16．

[4] 文豐，韓冰，袁小康．基于千兆以太網的FPGA遠距離在線更新設計[J]．電子設計工程，2022，30（24）：60-63．