基于嵌入式微控制器和Internet的解决方案

　　方案综述
　　本设计的目标是基于系统中已有的软硬件资源，尽可能提高FPGA配置的效率和灵活性。考虑到相当多的复杂数字系统：（1）包含微控制器（具有多个通用I/O）及其程序存储器; （2）具有接入Internet的能力（例如系统硬件中包含以太网接口，软件中移植了TCP/IP协议），提出一种新的FPGA配置方案，这种方案的实质是将Internet作为传输配置数据的媒体，并用嵌入式微控制器的程序存储器存储这些数据，从而完成*节中提到的*次数据传输;在嵌入式微控制器的通用I/O上实现FPGA配置时序，从而完成第二次数据传输。
　　为验证这种方案的可行性和有效性，在船载自动识别系统（AIS）的设计中实现了该方案。相关的主要器件包括：CPU采用SAMSUNG公司的S3C44B0X;程序存储器采用MACRONIX公司的MX29LV160ABTC;FPGA采用XILINX公司的XC2S200PQ208;以太网控制器采用REALTEK公司的RTL8019AS。上述器件均具有同类产品的一般特性，因而这一设计实例并不验证的一般性。
　　1.1配置文件的传输协议TFTP
　　在方案的验证实例中，使用基于UDP的TFTP协议在以太网内传输配置文件，协议栈如图3所示。由于UDP属于不可靠的面向无连接的传输协议，因此在网络结构复杂的广域网上传输FPGA配置数据并不适合采用TFTP协议，而必须采用可靠的、基于TCP的应用层协议（例如FTP协议）。此处采用TFTP，*是由于适应AIS的运行环境、简化性能测试的考虑，而且在应用层实现了部分TCP的功能（例如伪连接、简单的应答和重发、数据包排序等功能），可以保证数据传输的质量。
　　标准的TFTP（Trivial File Transfer Protocol）是一种基于UDP的、简单的文件传输协议。TFTP的设计目标是简单小巧且易于实现，因此远不如采用多重并发TCP连接的FTP功能强大（例如TFTP不支持目录列表和用户权限验证，而且传输效率比较低）。
　　TFTP的基本通信过程为：客户端向服务器发出读或写请求;如果服务器接收读写请求，正式的数据传输开始，每段数据长度固定为512字节;长度小于512字节的数据段标志传输结束。此外，协议中还规定了超时、重发等异常处理机制。
　　 

　　在具体实现中，将TFTP服务器（待配置FPGA所在的目标系统）设计成具有三个状态的状态机，其逻辑状态转移图如图4所示。PC机一端直接使用DOS下的TFTP命令。
　　1.2 FPGA配置文件及配置流程
　　用微控制器的通用I/O实现FPGA配置必须准确掌握：（1）配置文件的格式;（2）配置信号的时序。
　　一般来说，FPGA开发软件可以生成多种不同类型的配置文件，用户可以根据不同的应用环境选用这些配置文件。本设计采用.bin文件。值得注意的是，对于某一特定的芯片，无论设计简单或是复杂，其配置的数据的长度是固定的，但配置文件大小却因类型的不同而有所差异。
　　常见的FPGA配置模式包括主动串行模式、被动串行模式、被动并行模式和边界扫描模式等。为与常见的下载电费兼容并节约微控制器的I/O口线，本实现采用被动串行模式。
　　基于微控制器和互联网的配置方案在传输速率、传输距离上较其他方案均有明显优势，同时又符合软件无线“一机多能”的设计思想，并能满足某些用户对于在线调试、更新和维护的需求。此外，必须看到，新方案在具备种种优势的同时，对用户设计的软件提出了一定的要求。事实上，*具备这些软硬件条件（例如移植TCP/IP协议、使用嵌入式微控制器）符合现今数字系统设计的趋势，设计该配置方案的初衷正是基于这种设计理念，具有相当的实用性。