基于动态重构技术和GSM通信的FPGA动态配置

3 远程动态重构的实现

经过动态重构本地准备之后，得到如表1所示的CF卡配置文件列表。设置保留模块，是为了给新的控制算法保留一个接口(以一个空文件存储在CF卡中)。

传统的本地重构设计完成后，针对重构区域会得到几个不同的配置文件，如针对机械臂控制算法重构区得到两个初期设计的控制算法配置文件。在实际运行过程中，有些环境只需PID控制就可满足要求，而有些环境采用模糊控制更合适。如果采用这两种控制方法都不能满足工作要求时，必然要对初期设计进行升级，对复杂危险的工作现场进行远程动态重构。
本文提出的设计方法是：GSM模块作为远程数据传输工具，与89C54单片机通过UART端口连接，单片机接收到一个扇区512 B的数据写入CF卡reserved.bit文件中。GSM模块采用西门子公司的TC35模块，它支持AT指令，由89C54发送AT指令ASCI码对TC35进行控制[5]。本设计主要涉及到的AT指令如表2所示，TC35以串行模式与89C54进行通信。

CF卡必须格式化成FAT16格式才能用于FPGA的配置文件存储。FAT格式磁盘必须一次性对一个扇区进行操作，所以单片机必须从TC35接收满512 B的数据才可以对CF卡进行写操作。FPGA配置完成之后CF卡处于闲置状态，通过多路复用器将CF卡与外接控制器连接以完成对.bit文件的读写操作。单片机对CF卡进行操作本质就是对FAT文件系统的读写。
FAT格式磁盘的逻辑分区依次为：引导扇区、文件分配表（FAT1和FAT2）、文件目录区（FDT）和数据区[6]。引导扇区用于存储引导程序和磁盘信息，外界访问CF卡都要经过引导区的识别验证；FAT是给每个文件分配磁盘物理空间的表格，数据区的划分单元为簇，一个簇包括64个扇区，FAT表正是为每个文件构造一个簇链表；文件目录区是寻找文件的入口，其内容是每个文件的目录信息；在文件目录之后的扇区都是以簇为单位进行数据存储，这就是数据区。

CF卡与89C54接口配置关系如图3所示，单片机使用TrueIDE模式对CF卡进行读写，采用逻辑块LAB（Logical Block Addressing）方式进行寻址。

CF卡写一个扇区（读扇区基本相似，限于篇幅不列出）的代码如下：
Write_Sectors: mov R2,#1 ;一次写一个扇区
mov R3,#0Ah;假设 LBA为000000Ah
mov R4,#0
mov R5,#0
mov R6, #0
mov R7, #WriteSctr
acall Function;将参数写入CF控制寄存器
acall WaitDRQ ;等待数据请求
acall Write512
ret
Write512：mov R0,#high(data);取数据高地址
mov R1,#low(data); 取数据低地址
mov R7,#2 ;512 B= 2 * 256
mov R6,#0 ;256 B
write: mov dph,R0;获取地址
mov dpl, R1
clr a
movc a, @a+dptr ;获取一个数据
inc dptr ;指向下一个数据
mov R0, dph ;保存地址
mov R1, dpl
mov DPTR,#Data_Reg;到CF数据寄存器
movx @dptr, a ;向CF卡写一个数据
djnz R6, write
djnz R7, write ;将512 B的数据全部写入CF卡
ret

远程动态重构的流程如图4所示。现场TC35接收到新短信数据时会有触发信号发送给89C54单片机，单片机开始读取TC35Flash数据。在对CF卡进行写操作之前，首先要读取reserved.bit文件的首簇号；读取CF卡文件目录表FDT，得到reserved.bit的信息，其中偏移地址为1Ah~1Bh，所存储的2 B为文件首簇号，而接下来4 B代表文件大小。由文件首簇号在FAT表中找到文件入口，然后跟踪簇链至簇尾（0XFFFF），按照LAB寻址方式将数据按扇区写入CF卡数据区，逻辑扇区号LBA可由簇号按公式“LBA=(簇号－2)×64＋513”计算得到。如果文件数据量比旧文件多，则在FAT中增加链表，直至把数据存储完毕；如果文件较小，则将原文件剩余FAT簇链都写入0x0000，以释放空间。对CF卡的写操作则不对其他区域进行更改。

CF卡数据更新完毕后，接通CF卡与SystemACE控制器之间的多路复用器，对控制算法重构区进行局部动态配置，配置过程中不对其他逻辑区域的运行造成影响。

远程动态重构结合了FPGA局部动态重构和GSM无线数据传输的优势，对用在野外勘测的机器人和数据采集处理系统有很高的应用价值，允许设计人员根据系统运作情况实时地改变机器人的控制算法或数据处理算法，使其更加适合工作环境，既方便了设计人员对远程设备的配置升级，又节省了大量人力物力。今后该方案将计算机与FPGA硬件平台连接，可以为硬件的外部进化远程下载染色体到硬件平台提供有效途径。