CN106569124A - 一种Virtex‑5 FPGA通用动态老炼系统 - Google Patents

Abstract

一种Virtex‑5 FPGA通用动态老炼系统，包括上位机、程控电源、编程器、老炼信号板、高温试验箱、老炼试验板、老炼FPGA；上位机产生上电指令，发送老炼FPGA配置位流，接收并显示老炼响应数据，程控电源进行供电，编程器完成老炼FPGA的位流配置，老炼信号板产生老炼激励信号，高温试验箱调节老炼信号板、老炼FPGA的温度，老炼FPGA，包括时钟管理模块、系统监控模块、门控时钟模块、老炼功能模块，根据芯片温度自动调节老炼功能模块状态，产生老炼响应数据。

Description

一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统

技术领域

本发明涉及一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统，特别是一种具有通用性的、适用于Virtex-5系列各型号FPGA的动态老炼试验，并可对老炼FPGA芯片结温进行实时监测与动态调节的系统。

背景技术

Virtex-5是Xilinx公司Virtex系列第5代FPGA产品，宇航型号在选用FPGA时一般有两种途径：一种是采购宇航级(V级)产品经测试合格后使用；另一种是采购低等级(M级或I级)产品经升级筛选合格后使用，从可获得性和选用成本两方面分析，后一种方式更有优势。动态老炼是低等级FPGA升级筛选中的重要试验项目，一般要求使FPGA芯片中尽可能多的内部资源在手册中规定的最高温度条件下以尽可能高的时钟频率动作起来，并控制芯片结温不超过手册中允许的最大值。现有的FPGA动态老炼技术主要包括2个缺陷：

(1)不具备通用性

现有的FPGA动态老炼技术一般都是专用系统，即仅能对一种型号及封装的产品进行试验。当涉及多种器件型号或封装时，则需要研制(或加工)多台动态老炼系统，这种方式对“型号种类多、单批数量少”的用户而言成本过高。

(2)缺少精确的FPGA结温测量手段

Xilinx FPGA的数据手册中通常不标注器件的最高工作温度，而仅标注允许的最大结温。考虑到FPGA实际工作时自身功耗与带来的芯片温升较大，如将老炼试验的环境温度直接设定为手册中允许的最大结温，则会造成FPGA超温工作。现有的FPGA结温测量手段主要有两种：一种是利用FPGA工作所消耗的电能与封装热阻来计算芯片温升(温升＝功耗×热阻)，但是由于实际的热阻值与老炼试验的空气流速密切相关，存在较大的波动范围，因此该方法不能准确计算FPGA芯片的实际温度。另一种是利用Xilinx FPGA内部集成的测温二极管，通过测量该二极管的压降变化来计算芯片温度，该方法需要使用专用的工业级塑封模数转换器(ADC)，由于该ADC不能承受FPGA动态老炼的试验温度，因此只能设计在高温试验箱外进行远程测量，造成测量的精度较低，因此也不能准确计算芯片结温。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统，克服了现有的FPGA动态老炼技术不具备通用性、缺少精确的FPGA结温测量手段的缺陷，在具有一定通用性的同时，还能对FPGA芯片结温进行精确测量与控制。

本发明的技术解决方案是：一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统，包括上位机、程控电源、编程器、老炼信号板、高温试验箱、老炼试验板、老炼FPGA，其中

上位机，向程控电源发送老炼FPGA上电指令；当老炼FPGA正常上电后，获取老炼FPGA配置位流并送至编程器；当老炼FPGA使用配置位流进行配置后，向程控电源发送老炼信号板上电指令；当老炼信号板正常上电后，控制老炼信号板产生老炼激励信号并送至老炼FPGA；接收并显示老炼信号板发送的老炼响应数据；

程控电源，接收老炼FPGA上电指令后，对老炼FPGA进行供电；接收老炼信号板上电指令后，对老炼信号板进行供电；

编程器，接收老炼FPGA配置位流后送至老炼FPGA；

老炼信号板，产生老炼激励信号并送至老炼FPGA；所述的老炼激励信号包括时钟信号Clk、复位信号Rst、数据信号D；接收老炼FPGA输出的老炼响应数据Q后送至上位机；

高温试验箱，老炼信号板、老炼FPGA放置在高温试验箱，根据外部指令调节老炼信号板、老炼FPGA的温度；

老炼FPGA，包括时钟管理模块、系统监控模块、门控时钟模块、老炼功能模块；

时钟管理模块，接收时钟信号Clk、复位信号Rst，以时钟信号Clk作为工作时钟，当复位信号Rst使能时，不输出时钟信号，当复位信号Rst不使能时，向系统监控模块输出Mon_Clk时钟信号、向门控时钟模块输出Gate_Clk时钟信号；所述的复位信号Rst使能为高电平；

系统监控模块，接收Mon_Clk时钟信号，以Mon_Clk时钟信号作为工作时钟，实时采集老炼功能模块正常工作时的芯片结温并判断，若芯片结温大于温度报警信号触发值，则产生高电平的温度报警信号Alarm至门控时钟模块，否则产生低电平的温度报警信号Alarm至门控时钟模块；

门控时钟模块，接收温度报警信号Alarm并判断，当温度报警信号Alarm信号为低电平时，产生功能模块时钟信号Sys_Clk＝Gate_Clk，当温度报警信号Alarm信号为高电平时，产生功能模块时钟信号Sys_Clk＝0，将功能模块时钟信号Sys_Clk送至老炼功能模块；

老炼功能模块，接收老炼FPGA配置位流后进行配置，完成处理数据信号D中数据所需的参数配置；接收复位信号Rst、数据信号D、功能模块时钟信号Sys_Clk，如果复位信号Rst不使能、Sys_Clk＝Gate_Clk、数据信号D为变化的数据，则正常工作并处理数据信号D中数据，得到老炼响应数据并送至老炼信号板，否则处于静止状态。

还包括老炼试验板，老炼试验板包括多个老炼子板、老炼母板，老炼子板、老炼母板采用可插拔的连接器安装，不同型号的老炼FPGA分别放置在多个老炼子板上，其中

老炼母板，接收程控电源发出的老炼FPGA供电电压，传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的电源端口；接收编程器发出的老炼FPGA配置位流，传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的配置信号端口；接收老炼信号板发出的老炼激励信号，并传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的激励信号端口；接收老炼子板传来的老炼响应数据，并发往至老炼信号板；

老炼子板，接收老炼FPGA供电电压，并传输到对应的老炼FPGA；接收老炼FPGA配置位流，并传输到对应的老炼FPGA；接收老炼激励信号，并传输给对应的老炼FPGA；接收老炼FPGA发来的老炼响应数据，并传输给老炼母板。

所述的编程器通过JTAG配置信号端口将老炼FPGA配置位流送至老炼FPGA。

所述的Gate_Clk时钟信号为100MHz，Mon_Clk时钟信号为50MHz，时钟信号Clk为30MHz。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过可插拔替换的子母板形式设计老炼试验板，解决了常规FPGA动态老炼试验装置不具备通用性的问题，具有对不同型号(或封装)FPGA同时进行动态老炼试验的优点；

(2)本发明通过系统监控模块测量老炼FPGA芯片结温，解决了老炼FPGA缺少芯片结温精确测量手段的问题；

(3)本发明通过通用JTAG编程器为老炼FPGA进行位流配置，解决了不同型号的老炼FPGA需要分别设计配置电路的问题，具有接口标准化、通用性强的优点。

(4)本发明通过老炼FPGA内部资源实现门控时钟模块，通过判断系统监控模块采集的温度值自动调节老炼功能模块工作状态的方式，具有实时性强、响应迅速、控温准确度高等优点。

附图说明

图1为本发明一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统结构原理图；

图2为本发明系统中下位机软件结构原理图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提供了一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统，克服了现有的FPGA动态老炼技术不具备通用性、缺少精确的FPGA结温测量手段的缺陷，在具有一定通用性的同时，还能对FPGA芯片结温进行精确测量与控制，下面结合附图对本发明系统进行详细说明。

如图1所示为本发明一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统结构原理图，一种Virtex-5 FPGA通用动态老炼系统，包括老炼系统硬件、上位机软件、下位机软件，其中，老炼系统硬件包括上位机、程控电源、编程器、老炼信号板、高温试验箱、老炼试验板、老炼FPGA，老炼试验板又包括老炼子板与老炼母板，子母板之间采用可插拔替换的双层堆叠架构。

(1)上位机

负责在FPGA动态老炼试验开始后，向程控电源发送上电指令，控制程控电源(通过老炼试验板)为老炼FPGA上电。

负责在老炼FPGA正常上电后，通过iMPACT软件(注：可从Xilinx官方下载)及编程器，对老炼FPGA进行位流配置(配置的位流即为下位机软件)。

负责在老炼FPGA位流配置完成后，向程控电源发送上电指令，为老炼信号板上电。

负责在老炼信号板正常上电后，向老炼信号板发送工作指令(使其向老炼FPGA发送老炼激励信号)。

负责检测老炼信号板发来的老炼FPGA工作状态。

(2)程控电源(程控电源需具备至少5路不同电压的输出能力)

负责在接收到上位机指令后，为老炼试验板及老炼FPGA上电，包括使Virtex-5FPGA正常工作所需的VCCINT/MGTAVCC(1.0V)、MGTAVTTTX/MGTAVTTRX/MGTAVCCPLL(1.2V)、VCCAUX(2.5V)、VCCO(3.3V)。

负责在接收到上位机指令后，为老炼信号板上电，电压为5V。

(3)编程器

负责在iMPACT软件控制下，将上位机中的配置位流数据，通过JTAG配置信号端口发往老炼FPGA，完成老炼FPGA的位流配置(功能配置)。

(4)老炼信号板

负责在接收到上位机指令后，产生使4只老炼FPGA正常工作的4路激励信号(包括4路30MHz时钟Clk、4路复位Rst和4路数据D)。

负责接收4只老炼FPGA输出的老炼响应数据Q，与期望值进行比对，并将比对结果发回上位机。

(5)高温试验箱

负责在老炼试验开始后，为置于其内的老炼信号板与老炼FPGA施加老炼试验温度。

(6)老炼试验板

老炼试验板包括老炼子板与老炼母板，1块老炼母板可以安装4块老炼子板，老炼子母板之间采用可插拔的连接器进行安装，不同型号(或封装)的Virtex-5 FPGA需要使用不同的子板，不同子板与母板间的连接器采用相同的接口信号定义。

老炼母板采用统一结构，负责接收程控电源发出的老炼FPGA电源电压，并传输到4块老炼子板的电源端口；负责接收编程器发出的JTAG配置信号，在母板上形成JTAG链，将位流数据发往老炼子板的配置信号端口；负责接收老炼信号板发出的老炼激励信号，并传输到4块老炼子板的激励信号端口；负责接收老炼子板传来的老炼FPGA的老炼响应信号，并发往老炼信号板。

老炼子板负责接收老炼母板传输的老炼FPGA电源电压，并传输到老炼FPGA上；负责接收老炼母板发来的JTAG配置信号，并传输到老炼FPGA上，实现老炼FPGA的位流配置；负责接收老炼母板发来的老炼激励信号，并传输给老炼FPGA；负责接收老炼FPGA发来的老炼响应信号，并传输给老炼母板。

(7)老炼FPGA

负责接收老炼子板传输的老炼FPGA电源电压；负责接收老炼子板发来的JTAG配置信号，进行位流配置；负责接收老炼子板发来的老炼激励信号；负责产生老炼响应信号，并传输给老炼母板。

本发明老炼系统中上位机软件包括3部分：程控电源控制软件、iMPACT位流配置软件与FPGA动态老炼检测软件，其中，程控电源控制软件负责设置老炼FPGA工作所需电源电压与钳位电流值，并产生电源信号；负责设置老炼信号板工作所需电源的电压与钳位电流值，并产生电源信号。iMPACT位流配置软件负责将下位机软件通过编程器下载到老炼FPGA中。FPGA动态老炼检测软件负责向老炼信号板发送指令，由老炼信号板产生老炼激励信号；负责接收老炼信号板发来的老炼响应信号并显示。

如图2所示为本发明系统中下位机软件结构原理图，本发明老炼系统中下位机软件即FPGA程序，主要包括4部分：时钟管理模块，系统监控模块，门控时钟模块、老炼功能模块，其中

时钟管理模块

时钟管理模块接收老炼信号板发来的30MHz时钟(Clk)与复位(Rst)信号，当复位信号使能时不输出时钟，当复位信号不使能时向系统监控模块输出Mon_Clk时钟(50MHz)，向门控时钟模块输出Gate_Clk时钟(100MHz)。

系统监控模块

系统监控模块接收老炼信号板发来的复位(Rst)信号与时钟管理模块送来的Mon_Clk时钟，并向门控时钟模块输出温度报警信号。使用系统监控模块前，需要先将温度报警信号触发值写入报警寄存器，将温度报警复位信号触发值写入报警复位寄存器。当老炼FPGA正常工作时系统监控模块会自动采集当前的芯片结温并写入温度寄存器，当芯片结温超过温度报警信号触发值时，会输出高电平的Alarm；当温度值降到温度报警复位信号以下时，输出低电平Alarm，将Alarm送至门控时钟模块。

门控时钟模块

门控时钟模块为一个查找表资源实现的逻辑单元，接收系统监控模块发来的Alarm信号与时钟管理模块发来的Gate_Clk信号，并向老炼功能模块输出Sys_Clk信号，其逻辑关系为Sys_Clk＝(！Alarm)&Gate_Clk。

门控时钟模块的功能为：当Alarm信号为低时，Sys_Clk＝Gate_Clk；当Alarm信号为高时，Sys_Clk＝0；

老炼功能模块

老炼功能模块接收老炼信号板发来的复位Rst、数据D与门控时钟模块发来的Sys_Clk，向老炼信号板输出老炼响应Q。

老炼功能模块包括FPGA内部分触发器、查找表与其他硬核资源，当Rst不使能、Sys_Clk＝Gate_Clk(100MHz时钟)、D为变化的数据时，老炼功能模块正常工作，老炼FPGA功耗电流由静态漏电与动态电流组成；当其他条件不变而Sys_Clk＝0时，老炼功能模块处于静止状态，老炼FPGA功耗电流仅由静态漏电构成。

本发明系统中下位机软件实现FPGA芯片温度自动调节的原理是：试验起始阶段，老炼FPGA芯片结温低于设定的温度报警信号触发值，Alarm输出为低，Sys_Clk＝Gate_Clk，从而老炼功能模块正常工作，此时老炼FPGA的芯片温升为：动态温升＝(静态功率+动态功率)×热阻；当老炼FPGA芯片结温不断升高并最终超过温度报警信号触发值时，Alarm输出为高，Sys_Clk＝0，从而老炼功能模块处于静止状态，此时老炼FPGA的芯片温升为：静态温升＝静态功率×热阻。当“环境温度+静态温升＜报警复位值＜报警触发值＜环境温度+动态温升”这一公式成立时，下位机软件将使老炼FPGA的芯片结温稳定在报警复位值与报警触发值之间，从而实现对老炼FPGA芯片结温的精确调控。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种Virtex-5FPGA通用动态老炼系统，其特征在于包括上位机、程控电源、编程器、老炼信号板、高温试验箱、老炼试验板、老炼FPGA，其中

上位机，向程控电源发送老炼FPGA上电指令；当老炼FPGA正常上电后，获取老炼FPGA配置位流并送至编程器；当老炼FPGA使用配置位流进行配置后，向程控电源发送老炼信号板上电指令；当老炼信号板正常上电后，控制老炼信号板产生老炼激励信号并送至老炼FPGA；接收并显示老炼信号板发送的老炼响应数据；

程控电源，接收老炼FPGA上电指令后，对老炼FPGA进行供电；接收老炼信号板上电指令后，对老炼信号板进行供电；

编程器，接收老炼FPGA配置位流后送至老炼FPGA；

老炼信号板，产生老炼激励信号并送至老炼FPGA；所述的老炼激励信号包括时钟信号Clk、复位信号Rst、数据信号D；接收老炼FPGA输出的老炼响应数据Q后送至上位机；

高温试验箱，老炼信号板、老炼FPGA放置在高温试验箱，根据外部指令调节老炼信号板、老炼FPGA的温度；

老炼FPGA，包括时钟管理模块、系统监控模块、门控时钟模块、老炼功能模块；

时钟管理模块，接收时钟信号Clk、复位信号Rst，以时钟信号Clk作为工作时钟，当复位信号Rst使能时，不输出时钟信号，当复位信号Rst不使能时，向系统监控模块输出Mon_Clk时钟信号、向门控时钟模块输出Gate_Clk时钟信号；所述的复位信号Rst使能为高电平；

系统监控模块，接收Mon_Clk时钟信号，以Mon_Clk时钟信号作为工作时钟，实时采集老炼功能模块正常工作时的芯片结温并判断，若芯片结温大于温度报警信号触发值，则产生高电平的温度报警信号Alarm至门控时钟模块，否则产生低电平的温度报警信号Alarm至门控时钟模块；

门控时钟模块，接收温度报警信号Alarm并判断，当温度报警信号Alarm信号为低电平时，产生功能模块时钟信号Sys_Clk＝Gate_Clk，当温度报警信号Alarm信号为高电平时，产生功能模块时钟信号Sys_Clk＝0，将功能模块时钟信号Sys_Clk送至老炼功能模块；

老炼功能模块，接收老炼FPGA配置位流后进行配置，完成处理数据信号D中数据所需的参数配置；接收复位信号Rst、数据信号D、功能模块时钟信号Sys_Clk，如果复位信号Rst不使能、Sys_Clk＝Gate_Clk、数据信号D为变化的数据，则正常工作并处理数据信号D中数据，得到老炼响应数据并送至老炼信号板，否则处于静止状态。

2.根据权利要求1所述的一种Virtex-5FPGA通用动态老炼系统，其特征在于：还包括老炼试验板，老炼试验板包括多个老炼子板、老炼母板，老炼子板、老炼母板采用可插拔的连接器安装，不同型号的老炼FPGA分别放置在多个老炼子板上，其中

老炼母板，接收程控电源发出的老炼FPGA供电电压，传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的电源端口；接收编程器发出的老炼FPGA配置位流，传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的配置信号端口；接收老炼信号板发出的老炼激励信号，并传输到当前老炼FPGA对应的老炼子板的激励信号端口；接收老炼子板传来的老炼响应数据，并发往至老炼信号板；

老炼子板，接收老炼FPGA供电电压，并传输到对应的老炼FPGA；接收老炼FPGA配置位流，并传输到对应的老炼FPGA；接收老炼激励信号，并传输给对应的老炼FPGA；接收老炼FPGA发来的老炼响应数据，并传输给老炼母板。

3.根据权利要求1或2所述的一种Virtex-5FPGA通用动态老炼系统，其特征在于：所述的编程器通过JTAG配置信号端口将老炼FPGA配置位流送至老炼FPGA。

4.根据权利要求1或2所述的一种Virtex-5FPGA通用动态老炼系统，其特征在于：所述的Gate_Clk时钟信号为100MHz，Mon_Clk时钟信号为50MHz，时钟信号Clk为30MHz。