一种基于ＦＰＧＡ的自适应星载计算机及应用所述计算机实现内部资源动态分配的方法技术

一种基于ＦＰＧＡ的自适应星载计算机及应用所述计算机实现内部资源动态分配的方法，属于航天航空数据处理技术领域，解决了传统可重构星载计算机无法有效管理可重构ＦＰＧＡ资源的问题。本发明专利技术的星载计算机采用ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ实现，所述ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ的内部资源包括主控单元和由ｎ个大小完全相等的重构单元组成的重构单元阵列，并且ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ支持部分重构技术。本发明专利技术的内部资源动态分配方法是当星载计算机启动一个线程时，主控单元根据线程需要的硬件电路，将处于空闲状态的重构单元构造成相应的硬件电路；当所述线程结束或者终止时，主控单元将构造有所述硬件电路的重构单元的内容清除，使其恢复到空闲状态。本发明专利技术实现了计算机对内部资源的动态分配，适用于星上数据处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于FPGA的星载计算机及应用所述计算机实现内部资源动态分配的方法，属于航天航空数据处理

技术介绍
现代小卫星的集成度越来越高，这要求其星载计算机能够在并行多任务的环境下，具有强大的计算和数据处理能力。普通星载计算机完全依赖处理器进行计算，效率低且无法满足小卫星技术发展的需求。而可重构星载计算机利用处理器和专用电路共同进行计算，具有很强的计算能力，但是对可重构FPGA资源缺乏有效的管理，因此，在星上硬件资源非常有限的条件下，传统意义上的可重构星载计算机无法很好地适用于多进程、多任务的工作环境，此外，传统的可重构星载计算机通过上传FPGA硬件配置文件来进行硬件升级，但是由于FPGA的硬件配置文件较大，会占用大量宝贵的星地通信时间。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决传统可重构星载计算机无法有效管理可重构FPGA资源的问题，提供了一种基于FPGA的自适应星载计算机及应用所述计算机实现内部资源动态分配的方法。 本专利技术是通过下述方案予以实现的一种基于FPGA的自适应星载计算机，它包括SRAM型FPGA、PR0M型FPGA配置芯片和Flash存储器，SRAM型FPGA的内部资源包括主控单元和重构单元阵列两部分，其中主控单元包括一个处理器和FPGA片内配置端口，重构单元阵列由n个大小完全相等的重构单元组成，PROM型FPGA配置芯片的配置输出端口与SRAM型FPGA的片外配置输入端口相连，Flash存储器的控制输入输出端口与处理器的外部存储器控制输入输出端口相连，其中，n为大于0的整数， 所述的基于FPGA的自适应星载计算机实现内部资源动态分配的方法，SRAM型FPGA支持部分重构技术， 内部资源动态分配的过程为 步骤一、处理器将SRAM型FPGA内部的n个重构单元都设置成空闲状态； 步骤二、当星载计算机启动一个线程时，处理器根据所述线程需要的硬件电路，将处于空闲状态的重构单元构造成相应的硬件电路，并将该重构单元置为占用状态；当所述硬件电路不能够被一个重构单元所容纳时，则选择物理地址相邻的两个或多个处于空闲状态的重构单元作为一个整体，并将所述整体构造成相应的硬件电路，处理器将涉及到的重构单元置为占用状态； 步骤三、当所述线程结束或者终止时，处理器将构造有所述硬件电路的重构单元的内容清除，使其恢复到空闲状态。 本专利技术由于采用部分重构技术，使基于FPGA的可重构计算机能够对内部资源进行动态分配，并能针对不同的星上任务完全自主地调整自身硬件电路结构，从而最大程度 的发挥可重构计算机的潜能。本专利技术简化设计流程，极大的增加设计的灵活性，减少星载电 子系统的硬件开销，提高对星上FPGA资源的利用效率，能够提高计算机在处理并行多任务 时的性能。附图说明 图1是一种基于FPGA的自适应星载计算机的结构示意图；图2是具体实施方式五 的流程图。具体实施例方式具体实施方式一 下面结合图1具体说明本实施方式。 一种基于FPGA的自适应星 载计算机包括SRAM型FPGA1、PR0M型FPGA配置芯片5和Flash存储器2， SRAM型FPGA1的 内部资源包括主控单元1-1和重构单元阵列1-2两部分，其中主控单元1-1包括一个处理 器1-1-1和FPGA片内配置端口 1-1-2，重构单元阵列1-2由n个大小完全相等的重构单元 1-2-1组成，PROM型FPGA配置芯片5的配置输出端口与SRAM型FPGA1的片外配置输入端 口相连，Flash存储器2的控制输入输出端口与处理器1-1-1的外部存储器控制输入输出 端口相连，其中，n为大于0的整数。 当SRAM型FPGA1的重构端口被触发或者SRAM型FPGA1上电复位时，FPGA配置芯 片5对SRAM型FPGA1进行配置，在FPGA配置芯片5中仅包含主控单元1_1的配置信息，因 此在配置结束后重构单元1-2-1不具备任何功能。具体实施方式二 下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方 式一所述的一种基于FPGA的自适应星载计算机的区别在于，所述Flash存储器2用于存储 用户应用程序执行代码和功能电路的配置文件，每种功能电路的配置文件可调用任一重构 单元1-2-1构建硬件电路。 Flash存储器2是近些年发展起来的新型非易失性存储器，它具有掉电数据不丢 失、快速的数据存取速度、电可擦除、容量大、在线可编程、价格低廉以及多达十万次的擦写 次数和较高的可靠性等诸多优点。 本实施方式所述的基于FPGA的自适应星载计算机可以采用下述容错设计处理 器1-1-1定期通过FPGA片内配置端口 1-1-2回读配置文件，并将回读的配置文件与Flash 存储器2中的原始的配置文件进行对比，如果不同，则将配置文件刷写到SRAM型FPGA1中， 修复相应的错误部分，使SRAM型FPGA1复位。 容错功能的优良与否直接影响到星载计算机的稳定性，采用上述容错设计，能够 增强本实施方式所述的基于FPGA的自适应星载计算机的稳定性。具体实施方式三下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一 所述的一种基于FPGA的自适应星载计算机的不同之处在于，它还包括看门狗电路4，看门 狗电路4由看门狗芯片实现，处理器1-1-1的喂狗信号输出端口与看门狗电路4的喂狗信 号输入端口相连，看门狗电路4的复位信号输出端口与SRAM型FPGA1的复位信号输入端口 相连。 —种基于FPGA的自适应星载计算机，除了采用配置文件回读与刷写机制外，还5可以采用看门狗电路实现容错设计，本实施方式所述的基于FPGA的自适应星载计算机采 用看门狗电路实现容错设计，该电路周期性地接收来自处理器1-1-1的喂狗信号，如果在 一定时间内没有接收到喂狗信号，则该电路会产生复位信号，在该信号的触发下，SRAM型 FPGA1复位并自动从PROM型FPGA配置芯片5中重新载入配置信息。 本实施方式与具体实施方式二中所述的两种容错机制可以同时使用，在同时使用 时能够使得星载计算机的可靠性得到显著提高。具体实施方式四下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方 式一及具体实施方式三所述的基于FPGA的自适应星载计算机的不同之处在于，它还包括 SRAM存储器3，SRAM存储器3的控制输入输出端口与处理器的外部存储器控制输入 输出端口相连。 本实施方式增加了用于存储数据的SRAM存储器3，扩展了 SRAM型FPGA1片内数据 存储空间。具体实施方式五下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式所述的是基于具体实施方式一至四任意一种基于FPGA的自适应星载计算机实现内部资源动态分配的方 法的过程为 步骤一、处理器1-1-1将SRAM型FPGA1内部的n个重构单元1-2-1都设置成空闲 状态； 步骤二、当星载计算机启动一个线程时，处理器1-1-1根据所述线程需要的硬件 电路，将处于空闲状态的重构单元1-2-1构造成相应的硬件电路，并将该重构单元1-2-1置 为占用状态；当所述硬件电路不能够被一个重构单元1-2-1所容纳时，则选择物理地址相 邻的两个或多个处于空闲状态的重构单元1-2-1作为一个整体，并将所述整体构造成相应 的硬件电路，处理器1-1-1将涉及到的重构单元1-2-1置为占用状态； 步骤三、当所述线程结束或者终本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＦＰＧＡ的自适应星载计算机，它包括ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ（１）、ＰＲＯＭ型ＦＰＧＡ配置芯片（５）和Ｆｌａｓｈ存储器（２），其特征是：ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ（１）的内部资源包括主控单元（１－１）和重构单元阵列（１－２）两部分，其中主控单元（１－１）包括一个处理器（１－１－１）和ＦＰＧＡ片内配置端口（１－１－２），重构单元阵列（１－２）由ｎ个大小完全相等的重构单元（１－２－１）组成，ＰＲＯＭ型ＦＰＧＡ配置芯片（５）的配置输出端口与ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ（１）的片外配置输入端口相连，Ｆｌａｓｈ存储器（２）的控制输入输出端口与处理器（１－１－１）的外部存储器控制输入输出端口相连，其中，ｎ为大于０的整数。

【技术特征摘要】
一种基于FPGA的自适应星载计算机，它包括SRAM型FPGA(1)、PROM型FPGA配置芯片(5)和Flash存储器(2)，其特征是SRAM型FPGA(1)的内部资源包括主控单元(1-1)和重构单元阵列(1-2)两部分，其中主控单元(1-1)包括一个处理器(1-1-1)和FPGA片内配置端口(1-1-2)，重构单元阵列(1-2)由n个大小完全相等的重构单元(1-2-1)组成，PROM型FPGA配置芯片(5)的配置输出端口与SRAM型FPGA(1)的片外配置输入端口相连，Flash存储器(2)的控制输入输出端口与处理器(1-1-1)的外部存储器控制输入输出端口相连，其中，n为大于0的整数。2. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA的自适应星载计算机，其特征是它还包括看 门狗电路(4)，看门狗电路(4)由看门狗芯片实现，处理器(1-1-1)的喂狗信号输出端口与 看门狗电路(4)的喂狗信号输入端口相连，看门狗电路(4)的复位信号输出端口与SRAM型 FPGA(l)的复位信号输入端口相连。3. 根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA的自适应星载计算机，其特征是它还包 括SRAM存储器(3)，SRAM存储器(3)的控制输入输出端口与处理器(1_1_1)的外部存储器 控制输入输出端口相连。4. 基于权利要求1所述的一种基于FPGA的自适应星载计算机实现内部资源动态分配 的方法，其特征是内部资源动态分配的过程为步骤一、处理器(1-1-1)将SRAM型FPGA (1)内部的n个重构单元(1_2_1)都设置成空 闲状态；步骤二、当星载计算机启动一个线程时，处理器(1-1-1)根据所述线程需要的硬件电 路，将处于空闲状态的重构单元(1-2-1)构造成相应的硬件电路，并将该重构单元(1-2-1) 置为占用状态；当所述硬件电路不能够被一个重构单元(1-2-1)所容纳时，则选择物...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙兆伟，刘源，兰盛昌，赵丹，杨正贤，徐国栋，张世杰，曹星惠，叶东，董晓光，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]