一种适用于航天领域基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于航天领域基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法。该方法包括如下步骤：预先用仿汇编语言编写程序，转换为Binary格式的机器码，并写入PROM中；根据程序读取PROM中的数据；将读到的数据进行指令和目标源拆分，识别指令类型和目标源，进行数据的算数逻辑运算，并把运算结果放入指定的地方，最后根据指令进行对外数据的读写操作。与现有技术相比，其有益效果是：占用极小的FPGA资源，比现有的80C51核减小10倍以上资源开销，特别适合在航天领域中FPGA资源有限的情况下应用；工程运用效果好，可以对外进行数据的读写，实现422和1553B通信；采用仿汇编语言编写，程序可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于航天领域基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法
本专利技术涉及基于FPGA的嵌入式CPU核领域的软件，尤其适用于航天FPGA的小资源、高可靠性的技术要求。
技术介绍
航天领域由于其工作地点的特殊性，产品的质量和可靠性要求极高，不允许出现任何故障。在太空中，由于高能粒子的冲击和持续辐照，对元器件的等级要求极高，FPGA由于其本身工艺设计的原因，目前能上天的FPGA可用资源有限，而用80C51核由于占用资源太多而不能应用。目前航天领域大多数型号任务采用FPGA+单片机+片外RAM+片外PROM的体系架构，这种体系架构用到的元器件较多，应用时要考虑每个元器件的质量等级和可靠性指标，可靠性会降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法，它能够解决适用于航天领域FPGA的资源有限的问题，能增加航天器的可靠性。为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法，其包括如下步骤：步骤a：根据定义的指令，预先用仿汇编语言编写程序，转换为Binary格式的机器码，并写入PROM中；步骤b：根据程序读取PROM中的数据；步骤c：将读到的数据进行指令和目标源拆分，识别指令类型和目标源，进行数据的算数逻辑运算，并把运算结果放入指定的地方，最后根据指令进行对外数据的读写操作。上述步骤a包含有如下步骤：步骤a1：根据定义的指令，用仿汇编语言编写程序；步骤a2：将编译后的执行代码转换为Binary格式的机器码；步骤a3：根据程序大小，写入片内ROM或片外PROM中。所述步骤b包含有如下步骤：步骤b1：根据程序指令，确定要访问的PROM的地址；步骤b2：读取PROM中地址相对应的数据。所述步骤c包含有如下步骤：步骤c1：将读到的数据进行指令和目标源拆分；步骤c2：识别指令类型和目标源操作目标源，进行数据的算数逻辑运算，并把运算结果放入指定的地方；步骤c3：根据指令进行对外数据的读写操作。本专利技术通过一种基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法，与现有技术相比，其有益效果是：占用极小的FPGA资源，比现有的80C51核减小10倍以上资源开销，特别适合在航天领域中FPGA资源有限的情况下应用；工程运用效果好，可以对外进行数据的读写，可实现422和1553B通讯；采用仿汇编语言编写，程序可靠性高；与现有航天的体系架构相比，减少元器件开销，节省成本。附图说明以下将结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的最小CPU核的内部数据流图；图2是本专利技术的指令和目标源解析图；图3是本专利技术Binary格式数据流的定义。具体实施方式适用于本专利技术需要有下面几个条件：1、计算机配置和软件条件需配置一台内存大于512M，硬盘存储空间大于1G的计算机，需要安装FPGA仿真和烧写软件。2、存储空间条件一般航天领域的FPGA软件为了抵抗SEU(单粒子反转，SingleEventUpset)效应对程序的影响，在航天器发射之前进行FPGA反熔丝固化，固化好的程序将不能进行修改。而Binary格式的机器码一般存放在PROM(可编程只读存储器，ProgramReadOnlyMemory)中，为了抵抗SEU效应对程序的影响，用于存放代码的PROM在航天器发射之前进行烧结固化，固化好的程序将不能在原PROM基础上进行修改。因此只需要可适用于航天领域的FPGA和PROM，存储空间条件较易满足，本专利技术能适用于大多数的航天领域。鉴于上述两个条件航天领域一般都满足，故本专利技术可以应用到大多数的航天领域中FPGA的嵌入式CPU核设计。具体实施例如下：本实施例采用C语言编写一段程序(一个简单的1553B通讯程序)，根据图2的指令和目标源的解析用仿汇编语言将C语言程序转换为Binary格式的机器码，并写入PROM中，并依据设计在FPGA软件内部的CPU核，对注入的代码进行指令和目标源拆分，识别指令类型和目标源，然后进行数据的读写操作。其方法的具体步骤如下：C语言程序如下：步骤a1：根据图2的指令和目标源的解析，根据C语言程序用仿汇编语言编写程序。这一步是整个设计中的重要步骤，该步骤是整个数据的来源，编写后的代码确保是正确的，代码的精简度与整个程序的效率密切相关。代码如下：步骤a2：根据图2的指令和目标源的解析，使用自制的转换格式软件，将编译后的执行代码转换为Binary格式的机器码。值得注意的是，指令和目标源拼成一个8位无符号数，操作数为16位无符号数，机器码如下：0D00A0110D00001909AD010085FFAF5515004503000D01001003800D00801007800D13001000800D52581002800D19801007800D00801008800D00001009800DA0021068A10D004010A8A10D808F100180步骤a3：根据机器码大小，写入片内ROM或片外PROM中。如机器码存在片内的ROM中，则读写速度更快，最快可接受70M的时钟驱动。如写入片外PROM，则根据PROM芯片的读写周期进行操作。步骤b1：根据程序指令，确定要访问的PROM的地址；初始化状态下，默认访问PROM首地址中的指令内容，并设置相应的PC指针。步骤b2：读取PROM中地址相对应的数据。数据从图1中的DATA_in端口被读入，每次读取8位数据。步骤c1：将读到的数据进行指令和目标源拆分。根据图3的机器码定义，在图1的CONTROLFSM模块把读到的8位的数据(图1中的Pc0)进行拆分，高5位是指令，低3位为目标源。步骤c2：识别指令类型和目标源，进行数据的算数逻辑运算，并把运算结果放入指定的地方。根据图2的指令和目标源的解析和图1的最小CPU核的内部数据流图，进行不同的操作。在算数逻辑运算中，如目标源为图1的REG模块中的内部R0～R3寄存器中16位数据，则不需要再从PROM中读取操作数，直接把寄存器中的数据通过MUXA.a端口放到ALU模块的A口。除此之外，所有指令都需要再从PROM中读取16位的操作数(图1中的Pc1，Pc2)，在ALU模块中参与算数逻辑运算，运算结果通过ALU模块的C口根据指令分别送往REG模块和CONTROLFSM模块。如指令的目标源为REG模块中的内部R0～R3寄存器或A和S，则运算结果送往REG模块，这条指令的PC地址加1；如指令的目标源为＠ADDR或#DATA，则运算结果送往CONTROLFSM模块，这条指令的PC地址加3。步骤c3：根据指令进行对外数据的读写操作。在CONTROLFSM模块中，根据指令和目标源的不同进行对外数据的读写操作。在读操作时，如目标源为＠ADDR，则需要先把＠ADDR的值存放在对外地址线上，再读一遍该地址中的数据；如目标源为#DATA，则直接再从PROM中读取16位的操作数即可；如目标源为R0～R3寄存器或A和S，则不需要对外读取数据。在写操作时，如指令类型为MOVA，则需识别目标源类型：目标源为＠ADDR，则把＠ADDR的值存放在对外地址线上，然后把ALU模块的C口数据进行对外写操作；目标源为R0～R3寄存器，则把把ALU模块的C口数据送往REG模块，不需要对外写操本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于航天领域基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a：预先用仿汇编语言编写程序，转换为Binary格式，并写入PROM中；步骤b：根据程序读取PROM中的数据；步骤c：将读到的数据进行指令和目标源拆分，识别指令类型和目标源，进行数据的算数逻辑运算，并把运算结果放入指定的地方，最后根据指令进行对外数据的读写操作。

【技术特征摘要】
1.一种适用于航天领域基于FPGA的高可靠性嵌入式最小CPU核设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a：预先用仿汇编语言编写程序，转换为Binary格式，并写入PROM中；步骤a1：根据定义的指令，用仿汇编语言编写程序；步骤a2：将编译后的执行代码转换为Binary格式的机器码；步骤a3：根据程序大小，写入PROM中；步骤b：根据程序读取PROM中的数据；步骤c...

【专利技术属性】
技术研发人员：施未勋，徐建萍，周振宇，宋晓东，
申请(专利权)人：上海航天测控通信研究所，
类型：发明
国别省市：