远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路制造技术

本发明专利技术公开的一种远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，旨在提供一种动态配置速度快、远程加载稳定可靠的FPGA加载电路。本发明专利技术通过下述技术方案实现：主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过专用配置接口电路连接到待被加载的FPGA节点构成远程加载电路；一个ZYNQ的PL节点管理多个待被加载的FPGA节点，以开源的应用容器引擎Docker镜像为基础，将FPGA镜像封装到Docker镜像中；加载程序读取引擎容器Docker中的FPGA镜像文件，将FPGA镜像传输数据到ZYNQPL节点上，ZYNQPL节点收到FPGA数据后，加载启动对应节点的FPGA。

Loading Management Circuit for Multi-node Program Based on Remote Transmission Loading

The invention discloses a remote transmission loading multi-node FPGA program loading management circuit, aiming at providing a fast dynamic configuration, stable and reliable remote loading FPGA loading circuit. The invention is realized by the following technical schemes: the host computer connects multiple PS nodes of ZYNQ extensible processing platform through Ethernet switch, the PS node of ZYNQ connects the PL node of ZYNQ through AXI4 bus, and the PL node of ZYNQ connects to the FPGA node to be loaded through special configuration interface circuit to form a remote loading circuit; a PL node of ZYNQ manages multiple FPGA nodes to be loaded. Point, based on the open source application container engine Docker image, encapsulates the image of the FPGA into the Docker image; loader reads the image file of the FPGA in the engine container Docker, transfers the image of the FPGA to the ZYNQPL node, and loads and starts the corresponding node's FPGA after receiving the data of the FPGA.

【技术实现步骤摘要】
远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路
本专利技术涉及一种结合互联网虚拟
与嵌入式平台管理领域，形成的一套完整的FPGA程序加载与存储方案与加载与重载电路。
技术介绍
近年来，FPGA这个强大的平台让多节点系统各个节点的硬件构成拥有了更广泛的通用性。尤其是随着IP核技术的推广，再加上一些功能强大的CPU核的出现，使得目前的许多系统的主要功能都可以由大容量的FPGA实现，而无需再使用比较昂贵的高性能微处理器。对于节点系统，这将大大降低系统成本。对于由大容量FPGA构成的多节点系统，系统的升级是一个费时费力的工作。此时，FPGA的远程升级能力就显得尤为重要。对于包含ARM、DSP、PoerPC等高性能嵌入式微处理器的多节点系统，使用这些嵌入式微处理器，采用SEI，CETMAP对FPGA进行加载并实现远程升级，无需增加过多的外部器件，是非常经济和高效的。但对于核心器件就是大容量FPGA的系统，如果由FPGA本身来接收升级数据并写入存储配置数据的非易失性存储器.一旦升级失败，将无法再次升级，从而限制了它在许多需要高可靠性要求或者维护人员不便于到达的场合的应用；而如果单纯为了实现系统的远程升级而加入价格昂贵的嵌入式微处理器，又会较大地增加系统成本和复杂性。FPGA位流加载技术是FPGA设计和调试中必不可少的一部分。现有技术中FPGA位流加载都是利用外部下载线或者器件进行下载，当前对FPGA位流文件的下载方式多数为PC机在线线缆通过JTAG(JointTestActionGroup联合测试行为组织，一种边界扫描技术)接口下载，用JTAG接口对FPGA外部存储器进行烧写，通过JTAG线缆必须使用PC机，其不具有FPGA本身远程下载和控制功能，这种方式给产品升级带来了不便。而在实际应用中经常会出现对FPGA要进行远程下载的场景。现场可编程门阵列FPGA是以硬件描述语言(Veriog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，烧录到FPGA，完成一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。开源的应用容器引擎Docker作为时下最流行的轻量级虚拟化技术，给业界带来一场颠覆性的技术革命，Docker虚拟化技术具有秒级的启动速度、低性能损耗高、多系统支持、安全隔离、轻量级的技术特点，使之可以作为嵌入式平台管理技术的基础技术。现在FPGA越来越多的成为云计算中的一个计算加速单元被使用，但是在互联网与嵌入式结合领域，却没有一套完整的FPGA程序存储与加载方案。没有一套适用大规模FPGA程序管理加载的低功耗低价格架构，导致许多嵌入式机箱被设计出来以后，只能适用专用的程序，无法实现综合化，也无法对规模进行扩展的问题；通过动态配置不同的配置文件来实现不同的功能是软件无线电应用所必需的一项技术。过去，实现FPGA配置的方法很多，但大都通过DSP或其它CPU读取存储器中的比特文件对FPGA进行加载，其加载速率一般较低，占用的硬件空间也相对较大，不符合机载设备小型化、低功耗的总体发展思路，而且FPGA配置文件一般通过专用仿真器烧写，在电磁环境相对恶劣的外场环境下，往往出现仿真器挂接失败，无法进行程序升级的情况。典型的动态配置方法是将FPGA配置文件通过CPU的专用仿真器固化到通用FLASH中，模块上电后CPU通过并行总线读取存储于FLASH中的FPGA配置数据，然后通过CPLD模拟FPGA加载时序(由CPLD送加载启动信号、加载时钟、加载数据)，将配置数据加载到FPGA。该方法具有如下特点：优点：FLASH容量较大，可以存储多达几十个版本；缺点：加载速度慢，加载速度为秒级、加载所依赖的器件多，可靠性低。现有技术采用FPGA+CPLD+PROM的方法是将FPGA文件通过JTAG固化到PROM中，模块上电后由CPLD给出加载版本和加载触发信号(将FPGA的PROG—B信号拉低)以及版本选择信号，FPGA给出加载时序，自动从PROM读取数据加载。由于XCF32P采用并行加载，且其数据直接从PROM到FPGA，因此其加载速度比较快。该方法具有如下特点：优点：加载速度快，加载速度为毫秒级，加载依赖的器件相对较少；缺点：加载版本有限，一个PROM为4个版本。以上两种FPGA动态配置方法均需要通过外部CPLD或CPU来实现对FPGA的动态控制，并且将FPGA程序固化到存储器中需要专用的下载器才能完成。目前FPGA的动态配置和加载方法存在的速率低，在电磁环境恶劣的情况下加栽不稳定的问题。按照传统的FPGA程序加载方法：(1)需要利用器件厂商提供的加载环境(如Xilinx的ISE编程/烧录环境，Altera的Libero编程/烧录环境)，采用器件厂商提供的编程器通过器件的JTAG编程口对FPGA进行程序升级。该方法加载优点：1加载电路有厂家提供并实现，电路稳定可靠；缺点：不能进行批量化的程序升级，服务人员在外长对FPGA节点进行升级还需要打开产品盖板，通过JTAG口进行升级，效率很低，并且还需要服务人员具备专业的嵌入式知识。(2)将FPGA镜像文件传输到FPGA对应的FLASH中，FPGA读取FLASH中的数据进行加载，该方法优点：相较于方法(1)提高了加载速度；缺点：1每个FPGA需要配备一个FLASH存储器，增加成本。(3)一次只能存储一个FPGA镜像，每次切换程序都需要耗费大量的时间，不利于快速程序切换。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的FPGA节点管理所存在的不足之处，提供一种具有硬件设计简单、动态配置速度快、远程加载稳定可靠，通用强且轻量级的FPGA程序存储、远程加载方法和实现该方法价格功耗都很低的FPGA加载电路。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到，一种远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，包括：接入以太网的主控上位机，连接主控上位机的以太网交换机，嵌入式多媒体控制器EMMC存储芯片，以及多个被加载的FPGA，其特征在于：主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过专用配置接口电路连接到待被加载的FPGA节点构成远程加载电路；一个ZYNQ的PL节点管理多个待被加载的FPGA节点，FPGA的存储和在主控上位机至ZYNQPS节点之间的传输以开源的应用容器引擎Docker镜像为基础，将FPGA镜像封装到Docker镜像当中；在ZYNQPS端启动Docker镜像命令，启动后的容器引擎Docker获取Docker启动参数，并将参数传递给引擎容器Docker中的FPGA镜像加载程序，该加载程序读取引擎容器Docker中的FPGA镜像文件，并通过启动参数来确定加载哪一片FPGA，然后将FPGA镜像通过AXI4总线传输数据到ZYNQPL节点上，ZYNQPL节点收到FPGA数据后，通过配置总线加载启动对应节点的FPGA。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：硬件设计简单。本专利技术主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过专用配置接口电路连接到待被加载的FPG本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，包括：接入以太网的主控上位机，连接主控上位机的以太网交换机，嵌入式多媒体控制器EMMC存储芯片，以及多个被加载的FPGA，其特征在于：主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过专用配置接口电路连接到待被加载的FPGA节点构成远程加载电路；一个ZYNQ的PL节点管理多个待被加载的FPGA节点，FPGA的存储和在主控上位机至ZYNQPS节点之间的传输以开源的应用容器引擎Docker镜像为基础，将FPGA镜像封装到Docker镜像当中；在ZYNQPS端启动Docker镜像命令，启动后的容器引擎Docker获取Docker启动参数，并将参数传递给引擎容器Docker中的FPGA镜像加载程序，该加载程序读取引擎容器Docker中的FPGA镜像文件，并通过启动参数来确定加载哪一片FPGA，然后将FPGA镜像通过AXI4总线传输数据到ZYNQPL节点上，ZYNQPL节点收到FPGA数据后，通过配置总线加载启动对应节点的FPGA。

【技术特征摘要】
1.一种远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，包括：接入以太网的主控上位机，连接主控上位机的以太网交换机，嵌入式多媒体控制器EMMC存储芯片，以及多个被加载的FPGA，其特征在于：主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过专用配置接口电路连接到待被加载的FPGA节点构成远程加载电路；一个ZYNQ的PL节点管理多个待被加载的FPGA节点，FPGA的存储和在主控上位机至ZYNQPS节点之间的传输以开源的应用容器引擎Docker镜像为基础，将FPGA镜像封装到Docker镜像当中；在ZYNQPS端启动Docker镜像命令，启动后的容器引擎Docker获取Docker启动参数，并将参数传递给引擎容器Docker中的FPGA镜像加载程序，该加载程序读取引擎容器Docker中的FPGA镜像文件，并通过启动参数来确定加载哪一片FPGA，然后将FPGA镜像通过AXI4总线传输数据到ZYNQPL节点上，ZYNQPL节点收到FPGA数据后，通过配置总线加载启动对应节点的FPGA。2.如权利要求1所述的远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，其特征在于：主控上位机通过以太网交换机连接多个可扩展处理平台ZYNQ的PS节点，ZYNQ的PS节点通过AXI4总线连接ZYNQ的PL节点，ZYNQ的PL节点通过配置接口电路连接到待被加载的FPGA节点构成远程加载电路。3.如权利要求1所述的远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，其特征在于：一个ZYNQ的PL节点管理多个待被加载的FPGA节点，FPGA的存储和在主控上位机至ZYNQPS节点之间的传输以开源的应用容器引擎Docker镜像为基础，将FPGA镜像封装到Docker镜像当中。4.如权利要求1所述的远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，其特征在于：在ZYNQPS端启动Docker镜像命令，启动后的容器引擎Docker获取Docker启动参数，并将参数传递给引擎容器Docker中的FPGA镜像加载程序。5.如权利要求4所述的远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，其特征在于：加载程序读取引擎容器Docker中的FPGA镜像文件，并通过启动参数来确定加载某一片FPGA，然后将FPGA镜像通过AXI4总线传输数据到ZYNQPL节点上，ZYNQPL节点收到FPGA数据后，通过配置总线加载启动对应节点的FPGA。6.如权利要求1所述的远程传输加载多节点FPGA程序加载管理电路，其特征在于：FPGA编程人员准备好待加载FPGA镜像，在x86上位机桌面管理单元上，进行FP...

【专利技术属性】
技术研发人员：高逸龙，钟瑜，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51