CN108021530A - 基于soc的通用信号处理平台在轨重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，基于SOC的星载通用信号处理平台在轨重构技术可根据前端功能差异灵活地完成不同信号处理算法间的切换及在轨修改，以便根据用户需求实现在轨快速响应。本发明基于Xilinx ZYNQ系列SOC芯片系统架构，对配置程序存储空间及程序缓存空间进行分段式空间分配，通过查表法将上注文件中ARM0、ARM1、FPGA代码彼此分离，对编译器自动生成的Boot引导程序进行重编程，完成软件的在轨上注存储及上注启动功能。该发明为未来星载软件无线电系统提供了良好的自主可控性和功能扩展性基础。

Description

基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法

技术领域

本发明属于卫星应用领域，特别涉及一种基于ZYNQ系列SOC芯片的通用信号处理平台在轨重构方法。

背景技术

随着人类科研水平的提高以及活动探索范围的扩大，卫星系统已成为信息体系的重要基础设施，星上载荷的开发为人类对各种监测数据的获取提供了有效途径，逐渐成为直接关系到国计民生的关键性支撑技术。在卫星发射后，若星上载荷程序工作异常，则该载荷的功能将会缺失，造成不可估量的损失，因此针对星上载荷的软件在轨重构技术显得尤为重要。

在轨重构是指卫星在轨期间，地面测控站通过上行控制的方式，对卫星载荷实现硬件配置及参数更新、程序修改，从而达到星上软件系统升级、错误修改以及在轨维护的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题：提出了一种基于ZYNQ系列SOC芯片的通用信号处理平台在轨重构技术。针对传统载荷功能单一、应用范围局限问题，设计一种可扩展性通用信号支持平台，并对其核心信号处理器进行可重构设计，极大丰富载荷应用场景。

在轨重构解决方案采取以下步骤：

一种基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，具体包含如下步骤：

步骤1，根据用户需求制作上注数据包；

步骤2，将上注数据包上传给卫星，由卫星将上注数据包传递给通用信号处理平台进行存储；

步骤3，通过Boot引导程序，对原始镜像.bin文件和上注镜像文件进行查询、读取、搬移操作，实现上注镜像文件与原始镜像文件的交叉组合启动。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，所述步骤1具体包含如下步骤：

步骤1.1，根据需求编写软件，编译后形成原始镜像.bin文件；

步骤1.2，为原始镜像.bin文件添加相应的镜像分区表信息及镜像头部信息，进而生成SOC芯片内部BootRom可以识别的上注镜像文件；

步骤1.3，将上注镜像文件拆分成若干上注数据包。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，在步骤2中，星地专用通信链路将上注数据包上传给卫星。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，上注镜像文件由两部分组成，镜像分区表及镜像头部信息。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，在步骤1.2中，利用分区表生成算法为原始镜像.bin文件添加相应的镜像分区表信息及镜像头部信息。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，在步骤1.3中，利用镜像文件拆包工具将上注镜像文件拆分成若干上注数据包。

作为本发明的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法的进一步优选方案，Boot引导程序具体包含如下步骤：

步骤3.1，读取当前镜像的长度，若读取成功则进行步骤3.2，反之则直接结束；

步骤3.2，镜像长度读取成功后，继续读取当前镜像的分区表起始地址，若成功获取分区表起始地址则进行步骤3.3，反之则直接结束；

步骤3.3，成功获取分区表起始地址后，加载所有分区头信息，并获取当前镜像总个数；

步骤3.4，按各分区头中镜像类型的不同，将与之对应的镜像文件分别搬移至FPGA或内存中的指定位置，镜像加载过程结束，系统完成启动。

本发明与传统技术相比的有益效果：

(1)解决了ZYNQ系列SOC芯片在卫星电子领域应用在轨故障处理问题上的突出难点，可将该芯片应用扩展于支撑卫星电子应用领域；

(2)突破SOC芯片烧录软件一体化所带来的在轨单一功能重构难点，设计FPGA、ARM单核重构策略以提升重构灵活度。

(3)改进编译器自主生成的Boot原始程序，通过合理设计上注判决策略使设备在轨程序加载灵活控制。

附图说明

图1为本发明通用信号处理平台系统结构框图；

图2为本发明ZYNQ系列SOC芯片与FLASH接口框图；

图3为本发明原始镜像与上注镜像交叉组合启动流程图；

图4为本发明Boot引导程序交叉选择镜像组合框图；

图5为本发明原始镜像与上注镜像交叉组合流程图。

具体实施方式

一种基于SOC的通用信号处理平台在轨重构技术，

(1)通用信号处理平台设计，如图1所示，设计基于Xilinx ZYNQ系列SOC芯片系统平台架构，针对芯片功能使用需求设计硬件平台外设系统。

(2)上注文件制作过程，上注文件由两部分组成：镜像分区表及镜像，镜像的个数由需求所决定，个数最大为4个即Boot、ARM0、ARM1、FPGA。

(3)Boot引导过程，Boot引导程序首先加载镜像分区表并根据分区表获得镜像的个数，镜像的总长度、Boot文件的总长度；其次根据每个镜像的头部获得每个镜像的长度及代码十六进制文件起始偏移地址；最后将每个镜像从FLASH中读出并搬移至DDR或FPGA中。

处理器为一片集FPGA、ARM(双核)及丰富外设为一体的ZYNQ系列SOC芯片，跟芯片在轨重构过程中所需的外设需求设计芯片最小运行系统；

ZYNQ系列SOC芯片镜像文件是由Xilinx SDK编译工具自动生成,其将Boot、FPGA、ARM0、ARM1封装成一个集成镜像文件，若FPGA、ARM0、ARM1三者中有任意一个需要修改，则其余两个也需要再次参与编译、烧录，操作过程较为繁琐、耗时。本发明对三者的集成镜像进行分离操作，把三者分别制作成各自独立的镜像文件，对三者中任意一个镜像文件的修改无需其余二者的参与，其特征在于：

(1)根据需求把FPGA、ARM0、ARM1分别制作成单一镜像文件存储至上注镜像区的对应区域；

(2)上注镜像文件由两部分组成：镜像分区表及镜像，镜像可以是ARM0、ARM1、FPGA三之间的任意一个；

(3)镜像分区表主要包括如下信息：镜像个数、分区表偏移地址、第一个镜像开始偏移地址、Boot文件长度；

(4)镜像主要由两部分组成：镜像头部及代码十六进制文件，镜像头部主要包含以下信息：镜像表头部偏移地址、镜像长度、代码十六进制文件起始偏移地址。

ZYNQ系列SOC芯片Boot引导程序是由Xilinx SDK编译工具自动生成,其只能引导由编译工具生成的集成镜像文件，Boot引导程序在启动时一次性完成镜像读取并加载运行，无法加载单个镜像文件。本发明通过对编译工具自动生成的Boot引导程序进行修改，使其可以对单个镜像文件进行单独加载，

(1)Boot引导程序经修改后，对镜像存储区中的镜像文件进行分区、分段读取；

(2)Boot引导程序经修改后，根据需求对原始镜像区和上注镜像区的镜像文件进行交叉组合读取；

(3)Boot引导程序经修改后，首先加载FPGA镜像文件，其次加载ARM0镜像文件，最后加载ARM1镜像文件；

(4)Boot引导程序加载镜像文件时，首先，读取当前镜像的长度；然后，读取该镜像对应的分区表起始地址并加载该镜像头信息及镜像个数；其次，根据镜像头信息加载当前镜像，并按当前镜像的类型将其搬移至DDR内指定区域；最后，当各镜像文件均加载完毕后，Boot引导程序将PC跳转至DDR起始地址，系统开始运行。

具体实施例如下：

软件上注包制作：上注文件由两部分组成，镜像分区表及镜像。

第一步根据需求编写软件，编译后形成原始镜像.bin文件；

第二步利用分区表生成算法为原始镜像.bin文件添加相应的镜像分区表信息及镜像头部信息，最终生成SOC芯片内部BootRom可以识别的上注镜像文件；

第三步利用镜像文件拆包工具将镜像文件拆分成若干上注数据包。

Boot引导程序加载过程：

通过图2可知，ZYNQ系列SOC芯片通过4线制的SPI总线方式外挂FLASH-1和FLASH-2两个程序存储芯片，通过SSA和SSB引脚分别对FLASH-1和FLASH-2进行片选操作。

FLASH-1为原始镜像文件存储区，用于存储载荷设备的原始镜像文件，其内部空间划分为Boot存储区、FPGA镜像文件存储区、ARM0镜像文件存储区及ARM1镜像文件存储区四部分，其中Boot存储区中的引导程序根据地面需求从FLASH-1或FLASH-2中读取FPGA、ARM0、ARM1的镜像进行重组操作；

FLASH-2为上注镜像文件存储区，用于存储载荷设备的上注镜像文件，其内部空间划分为FPGA镜像文件存储区、ARM0镜像文件存储区及ARM1镜像文件存储区三部分。

第一步原始区、上注区镜像文件交叉组合，通过图3可知，经修改后的Boot引导程序可实现对原始区镜像文件与上注区镜像文件的交叉组合，其按顺序依次完成对FPGA、ARM0、ARM1三种类型的镜像加载后，系统才能开始运行。从图4可知，Boot引导程序在加载每一种类型镜像文件前，会判断该镜像文件是从原始镜像存储区加载还是从上注镜像存储区加载，确定其加载区域后，继续对余下的镜像加载区域进行判断选择镜像文件，从而实现对原始区镜像文件与上注区镜像文件的交叉组合，具体组合详见表1(打“√”表示从该区域加载)：

表1

第二步组合镜像加载启动，在三种类型的镜像文件的组合方式确定后，Boot引导程序按顺序依次对FPGA、ARM0、ARM1进行引导启动。通过图5可知，Boot引导程序对镜像的加载过程具体如下：

(1)首先读取当前镜像的长度，若读取成功则进行下一步，若读取失败则直接结束；

(2)镜像长度读取成功后，继续读取当前镜像的分区表起始地址，若成功获取分区表起始地址则进行下一步，若获取失败则直接结束；

(3)成功获取分区表起始地址后，加载所有分区头信息，并获取当前镜像总个数；

(4)按各分区头中镜像类型的不同，将与之对应的镜像文件分别搬移至FPGA或内存中的指定位置；

(5)当三种类型的镜像文件搬移完毕后，镜像加载过程结束，系统完成启动。

Claims (7)

1.一种基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，根据用户需求制作上注数据包；

步骤2，将上注数据包上传给卫星，由卫星将上注数据包传递给通用信号处理平台进行存储；

步骤3，通过Boot引导程序，对原始镜像.bin文件和上注镜像文件进行查询、读取、搬移操作，实现上注镜像文件与原始镜像文件的交叉组合启动。

2.根据权利要求1所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，其特征在于：所述步骤1具体包含如下步骤：

步骤1.1，根据需求编写软件，编译后形成原始镜像.bin文件；

步骤1.2，为原始镜像.bin文件添加相应的镜像分区表信息及镜像头部信息，进而生成SOC芯片内部BootRom可以识别的上注镜像文件；

步骤1.3，将上注镜像文件拆分成若干上注数据包。

3.根据权利要求1所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，其特征在于：在步骤2中，星地专用通信链路将上注数据包上传给卫星。

4.根据权利要求2所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，其特征在于：上注镜像文件由两部分组成，镜像分区表及镜像头部信息。

5.根据权利要求2所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，在步骤1.2中，利用分区表生成算法为原始镜像.bin文件添加相应的镜像分区表信息及镜像头部信息。

6.根据权利要求2所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，在步骤1.3中，利用镜像文件拆包工具将上注镜像文件拆分成若干上注数据包。

7.根据权利要求1或4所述的基于SOC的通用信号处理平台在轨重构方法，其特征在于：Boot引导程序具体包含如下步骤：

步骤3.1，读取当前镜像的长度，若读取成功则进行步骤3.2，反之则直接结束；

步骤3.2，镜像长度读取成功后，继续读取当前镜像的分区表起始地址，若成功获取分区表起始地址则进行步骤3.3，反之则直接结束；

步骤3.3，成功获取分区表起始地址后，加载所有分区头信息，并获取当前镜像总个数；

步骤3.4，按各分区头中镜像类型的不同，将与之对应的镜像文件分别搬移至FPGA或内存中的指定位置，镜像加载过程结束，系统完成启动。