基于大容量FPGA的多節點(diǎn)系統的遠程升級的實(shí)現

　　2.2 子節點(diǎn)硬件設計說(shuō)明

　　在子節點(diǎn)的硬件設計中，ATmega64單片機是實(shí)現整個(gè)升級功能的關(guān)鍵。ATmega64是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega64 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，并且所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)2個(gè)獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。ATmega64有如下特點(diǎn)：

　?、?64 KB的系統內可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，2 KB的EEPROM，4 KB的SRAM，32個(gè)通用工作寄存器；

　?、?53個(gè)通用I/O口線(xiàn)；

　?、?實(shí)時(shí)計數器(RTC)；

　?、?4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活的定時(shí)器/計數器(T/C)，具有片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；

　?、?2個(gè)USART，面向字節的雙線(xiàn)串行接口（TWI），1個(gè)SPI 串行端口；

　?、?8路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC；

　?、?與IEEE 1149.1 標準兼容的，可用于訪(fǎng)問(wèn)片上調試系統及編程的JTAG接口。

　　ATmega64是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內ISP Flash 允許程序存儲器通過(guò)ISP 串行接口（或者通用編程器）進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運行于A(yíng)VR內核之中的引導程序進(jìn)行編程。通過(guò)將8位RISC CPU與系統內可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內，ATmega64 成為一個(gè)功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。

　　利用ATmega64單片機實(shí)現對大容量FPGA的遠程升級，涉及的主要技術(shù)問(wèn)題有三點(diǎn)：一是如何將ATmega64單片機接入RS485總線(xiàn)；二是在接收到升級數據后和加載FPGA時(shí)，如何利用ATmega64單片機對大容量的Flash存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)操作；三是ATmega64單片機實(shí)現FPGA的SELECTMAP加載。

　　2.2.1 RS485接口電路設計

　　如表1所列， RS485總線(xiàn)標準具有控制方便、價(jià)格低廉以及高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離遠和寬共模范圍等優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的20年時(shí)間里，建議性標準RS485作為一種多點(diǎn)差分數據傳輸的電氣規范，被應用在許多不同的領(lǐng)域作為數據傳輸鏈路。

　　表1 TIA/EIA485串行通信標準的性能

子節點(diǎn)的ATmega64單片機通過(guò)Sipex公司設計生產(chǎn)的高性能RS485收發(fā)器接入RS485總線(xiàn)。

　　SP485R是一款與流行的標準RS485芯片完全兼容，而且包含更高的ESD保護和高接收器輸入阻抗等性能的RS485收發(fā)器。接收器輸入高阻抗可以使400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線(xiàn)上，又不會(huì )引起RS485驅動(dòng)器信號的衰減。該收發(fā)器的特點(diǎn)如下：

　?、?允許超過(guò)400個(gè)收發(fā)器接到同一條傳輸線(xiàn)上；

　?、?接收器輸入高阻抗（標準值RIN=150 kΩ）；

　?、?半雙工配置與工業(yè)標準引腳一致；

　?、?共模輸入電壓范圍為-7～+12 V；

　?、?低功耗（250 mW）；

　?、?獨立驅動(dòng)器和接收器使能引腳。

　　其典型應用電路如圖3所示。

圖3 利用SP485R構成的半雙工RS485電路

　　ATmega64單片機的標準串行口通過(guò)RXD直接連接SP485R芯片的RO引腳，通過(guò)TXD直接連接SP485R芯片的DI引腳。由單片機輸出的R/D信號直接控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號為1，SP485R芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)單片機可以向RS485總線(xiàn)發(fā)送數據字節；R/D信號為0，SP485R芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，單片機可以接收來(lái)自RS485總線(xiàn)的數據字節。上拉電阻R1、下拉電阻R2用于保證未連接總線(xiàn)時(shí)的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，以提高每個(gè)RS485節點(diǎn)的工作可靠性。6.8 V的TVS管V1、V2、V3用來(lái)保護RS485總線(xiàn)，避免RS485總線(xiàn)受外界干擾時(shí)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。

　　2.2.2 ATmega64存儲空間的擴展

　　ATmega64的尋址空間為64 KB，利用ATmega64自身的尋址系統，只能訪(fǎng)問(wèn)0x0000~0xFFFF的地址空間。顯然，這對于存儲和加載大容量FPGA的配置數據是遠遠不夠的。以Xilinx公司的Spartan3系列FPGA為例，其配置數據所需的存儲空間如表2所列。