SSD系統(tǒng)中多級FPGA在線升級電路的設(shè)計與實現(xiàn)

徐晶晶　陳帥

摘 要： 為了解決多級FPGA在線自動升級與加載的技術(shù)難題，本文提出了利用其中一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)自動更新的方案，設(shè)計了存儲系統(tǒng)的邏輯方案，主要功能有：PCI-E接口的橋、多級FPGA在線系統(tǒng)升級、NANDFLASH的讀寫等操作控制、DDR2的讀寫等操作控制及校驗與智能磨損平衡技術(shù)算法等，降低了硬件成本。

關(guān)鍵詞： SSD FPGA 在線 升級電路

1.引言

目前，傳統(tǒng)的FPGA升級與加載方式主要有兩種[1]-[5]：一種是通過JTAG口直接加載配置文件到FPGA內(nèi)部的SRAM中，但是由于SRAM掉電后數(shù)據(jù)將丟失，因此在下次重新上電時，需要重新通過JTAG加載線進(jìn)行手動加載；另外一種是通過外置FLASH存儲器件，首先將加載文件燒錄到FLASH中，然后在每次上電時，利用FPGA的專用接口直接自動加載FLASH中的配置文件，克服第一種方法存在的每次上電都要手動加載的缺點(diǎn)[6]-[7]。對于單FPGA硬件系統(tǒng)來說，利用上述的第二種方法與網(wǎng)絡(luò)接口的聯(lián)合可以實現(xiàn)對單個FPGA的在線自動升級與加載，但是如果對于多級FPGA系統(tǒng)來說，為了保證下電后配置文件不丟失，采用上述第二種辦法則需要在每個FPGA的外圍都掛上一個NANDFLASH存儲器，才能保證重新上電后能夠自動加載，硬件成本較高。同時對FLASH中的配置文件的更新需要更多的外圍器件支持。

本文利用一片F(xiàn)PGA并通過SPI接口與加載接口實施更新NORFLASH與其他四片F(xiàn)PGA加載的方案。設(shè)計了存儲系統(tǒng)的邏輯方案，采用MLC結(jié)構(gòu)的NANDFLASH顆粒作為存儲單元，使用多片F(xiàn)PGA器件作為整個系統(tǒng)的邏輯控制核心。邏輯部分主要功能有：PCI-E接口的橋、多級FPGA在線系統(tǒng)升級、NANDFLASH的讀寫等操作控制、DDR2的讀寫等操作控制，以及校驗與智能磨損平衡技術(shù)算法等，降低了硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

2.多級FPGA在線自動升級與加載方案的電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計如圖1所示的硬件系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，由5片F(xiàn)PGA組成；其中的FPGA1采用xilinx公司的Virtex5系列的30T器件，內(nèi)部包含PCI-EXPRESS endpoint IP核，利用IP核構(gòu)成的總線節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)FPGA1與內(nèi)存和CPU之間的通信。其他四片F(xiàn)PGA2采用xilinx公司的SPARTAN6系列的150T器件。首先通過PCIE的IP核接口實現(xiàn)從內(nèi)存中讀取到新的加載文件，然后再進(jìn)行并串的轉(zhuǎn)換，通過SPI接口控制模塊實現(xiàn)從SPI_NORFLASH中讀取數(shù)據(jù)與下發(fā)擦除、讀寫狀態(tài)寄存器等指令，更新了SPI_NORFLASH中的存儲的文件，存儲的文件內(nèi)容包括FPGA1與FPGA2的配置文件存放地址不同。為了保證在升級或者加載失敗時避免FPGA癱瘓，因此還需在FLASH空間里把上述兩個文件內(nèi)容實現(xiàn)備份，供發(fā)生意外所需。其次在SPI_NORFLASH文件更新成功后，F(xiàn)PGA1內(nèi)部通過一些控制模塊將SPI_NORFLASH中的數(shù)據(jù)讀出，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換與并串轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按照SPARTAN6 150T的串行SLAVE加載模式，加載到其他4片F(xiàn)PGA中，從而實現(xiàn)整個5片F(xiàn)PGA的在線自動升級與加載。

圖1 多級FPGA在線升級與加載方案

3.多級FPGA在線自動升級與加載方案的模塊化實現(xiàn)

在FPGA1內(nèi)部為了實現(xiàn)在線自動升級與加載的功能，特設(shè)計了以下幾個模塊，包括PCI-E IP核的包裝模塊，SPI接口控制器模塊SPI_CONTROLLER，以及對其他4片F(xiàn)PGA的加載控制模塊UPDATA_CONTROLLER，這3個部分共同組成了整個在線自動升級與加載的控制模塊如圖2所示。其中PCI-E ENDPIONT模塊主要是實現(xiàn)PCI-E IP所需要的各種接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的時序與數(shù)據(jù)的封裝，包括TLP幀的封裝與解析并將數(shù)據(jù)傳送給SPI_CONTROLLER模塊。

圖2 FPGA1內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)框圖

SPI_CONTROLLER模塊需要將接收到的數(shù)據(jù)處理后才能通過SPI接口燒錄到NORFLASH中。從總線上傳送下來的數(shù)據(jù)為32位比特，其中包括8比特命令碼和24比特的地址碼或者32比特全為數(shù)據(jù)或者32比特中前8位為指令碼，剩余24比特?zé)o效，等格式數(shù)據(jù)。由于外置的SPI_NORFLASH根據(jù)M25P128 FLASH器件的特點(diǎn)，特設(shè)計了SPI_CONTROLLER模塊中的一些狀態(tài)機(jī)，如圖3所示，根據(jù)接收到指令狀態(tài)機(jī)由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)移到解碼狀態(tài)，分析出32位比特數(shù)據(jù)中前8位是具體指令。根據(jù)解碼后的分析并進(jìn)行相關(guān)狀態(tài)，模塊內(nèi)的其他部分小模塊根據(jù)這些狀態(tài)產(chǎn)生相關(guān)的時序與數(shù)據(jù)，待操作完成后，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到操作完成等待狀態(tài)，并隨后跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，從而完成整個操作流程，實現(xiàn)對外置NORFLASH的數(shù)據(jù)更新等其他操作。具體模塊內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換如下圖3所示：

圖3 SPI控制模塊內(nèi)部狀態(tài)機(jī)

其中操作完成中最主要的兩個操作是讀FLASH與寫FLASH，根據(jù)M25P128器件的特點(diǎn)及SPI接口的時序要求，因此所設(shè)計模塊中clk，spi_di，spi_do及片選信號滿足下面的時序要求，具體如圖4、圖5所示：

圖4 SPI讀操作時序

圖5 SPI寫操作時序

本模塊加載過程中的狀態(tài)機(jī)為：首先進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，然后判斷復(fù)位是否成功；通過啟動加載狀態(tài)直接進(jìn)入初始化狀態(tài)；從發(fā)完讀加載數(shù)據(jù)指令后直接進(jìn)入等待讀取數(shù)據(jù)完成狀態(tài)；開始加載后計入加載計時狀態(tài)如果加載成功則進(jìn)入空閑狀態(tài)；最終無論加載成功與否都需要釋放SPI端口。在加載過程中，可以利用在加載部分文件期間同時讀取下一部分需加載的內(nèi)容，從而提高加載效率。

4.仿真與調(diào)試

上述的電路設(shè)計方案利用VERILOG語言編寫實現(xiàn)，并通過NC-VERILOG仿真工具。首先進(jìn)行仿真驗證，在仿真結(jié)果正確的條件下，再進(jìn)行板級調(diào)試。仿真波形如下圖6所示：

圖6 FPGA在線升級系統(tǒng)仿真波形

5.結(jié)語

通過上述設(shè)計的方案和模塊與最后的調(diào)試與完善，該方案已經(jīng)在SSD存儲卡產(chǎn)品中穩(wěn)定可靠地應(yīng)用于整個硬件核心FPGA系統(tǒng)中，實現(xiàn)在線自動升級與加載，很大程度上降低了維護(hù)的人力與物力成本，從而提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏書軍，劉振安，趙棣新，過雅南.VME總線在線“從串模式”配置FPGA的設(shè)計與實現(xiàn)[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2007，（05）.

[2]張煒，楊虎，張爾揚(yáng).一種靈活的實時FPGA數(shù)據(jù)配置方法[J].通信技術(shù)，2003，（02）.

[3]李鵬，蘭巨龍.用CPLD和Flash實現(xiàn)FPGA配置[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，（06）.

[4]彭冰，劉舒，黃振.基于共用總線的多片F(xiàn)PGA配置電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新通信，2009，（05）.

[5]毛劍慧，黑勇，吳斌，喬樹山.一種新穎的多模式FPGA配置方案[J].微計算機(jī)信息，2008，（29）.

[6]蘇嵐，陳銘，鐘銳.FPGA被動串行配置方法在稅控機(jī)中的應(yīng)用[J].電子器件，2007，（02）.

[7]孫云峰，段哲民.基于微處理器系統(tǒng)的FPGA在線配置方法[J].微處理機(jī)，2008，（05）.