面向DSP+FPGA通用處理架構檢測的硬件系統設計

謝林峰，何敏，李文鑫

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽，621000）

0 引言

基于FPGA+DSP架構的通用信息處理板作為信息處理的核心和標準模塊，用它進行信息處理等應用層面的開發能夠在縮短開發周期、降低成本、提高產品可靠性方面起到重要作用，因而在信息處理中得到了廣泛的應用[1]。由于基于FPGA+DSP架構的通用信息處理板的核心器件均采用了BGA封裝的芯片，依照現在的工藝水平，在焊接過程中管腳極易出現粘連的情況[2]，加之通用信息處理板上用于存儲數據的FLASH和用于運行程序的SDRAM也極易出現粘連壞塊的情況，導致存儲數據丟失或程序無法正常運行。

目前針對基于FPGA+DSP架構的通用信息處理板出現使用異常的情況，主要通過X射線對器件的所有管腳進行觀察后重新進行焊接[3]。但是目前X射線僅限于檢測連焊和空洞等有限的集中缺陷的檢測，不能覆蓋全部BGA焊接缺陷；同時缺乏檢測標準[4]。針對上述情況，通過搭建完整的硬件檢測系統，能夠實現有針對性的對關鍵器件焊接異常情況進行快速的排查，在提升DSP+FPGA通用處理平臺的可靠性和后續應用開發效率的同時，對焊接工藝也具有一定的指導意義。

1 檢測系統設計

基于FPGA+DSP架構的通用信息處理板的原理圖如圖1所示，圖1顯示出通用信息處理板的對外通用輸入輸出接口（GPIO）由FPGA的管腳引出，與外圍接口/設備實現通信。同時，圖1也顯示了通用信息處理板內部核心器件（IC）間的互連關系，FPGA通過Bank IO與DSP的EMIFB口互連；配置FPGA、存儲DSP程序和存儲數據等信息的FLASH通過并行總線與FPGA的管腳互連；運行DSP程序的SDRAM通過并行線與DSP的EMIFA口互連[5]。

圖1 通用信息處理板的原理圖

根據通用信息處理板的原理，采用外圍指示設備（LED燈）指示的方法來實現對通用信息處理板的檢測，檢測的項目和流程如下。

■1.1 通用信息處理板GPIO口的檢測

通用信息處理板的GPIO口與外圍LED燈逐一相連的示意圖如圖2所示。

圖2 通用信息處理板的GPIO口與外圍LED相連的示意圖

檢測過程中，FPGA產生的信號依次送出高電平到GPIO口，外圍LED燈逐一被點亮。若出現多個LED燈同時被點亮則說明引出GPIO口的FPGA管腳存在粘連；若出現LED該亮而不亮的情況，說明引出GPIO口的FPGA管腳損壞（粘連接地）或者該鏈路通信不暢通。根據分析所得的FPGA引腳的粘連情況，詳細檢測方案如下。

1.1.1 FPGA外部管腳間的粘連及檢測

FPGA外部管腳(引至外部插座處管腳，管腳的端口屬性為：OUT)之間的粘連情況如圖3所示，端口1輸入高電平，端口2輸入為高阻態“Z”，正常情況下LED1亮，而LED2不亮，若端口1與端口2出現粘連，則LED1和LED2都亮；若端口1或端口2與Vcc粘連，則對應的LED燈常亮；若端口1或端口2與GND粘連，則對應的LED燈常滅（若出現鏈路不通的情況，也會出現對應的LED常滅的現象）。

圖3 FPGA外部管腳之間的粘連情況示意圖

根據以上分析，依次給FPGA外部管腳送出高電平，FPGA引至插座處的其他所有管腳都為高阻態“Z”，正常情況下只有一個LED燈亮，其他LED燈都不亮。若FPGA外部管腳之間存在粘連則與之相連的LED都會亮；若FPGA外部管腳存在與Vcc粘連，則對應的LED燈會常量；若FPGA外部管腳存在與地粘連，則對應的LED燈會常滅。

1.1.2 FPGA內部管腳間的粘連及檢測

FPGA內部管腳(沒有引至外部插座處的管腳，管腳的端口屬性為：INOUT)之間的粘連情況如圖4所示，端口3通過端口1與LED1燈相連，端口4通過端口2與LED2燈相連。端口3輸入高電平，端口4輸入為高阻態“Z”，正常情況下LED1亮，而LED2不亮；若端口3與端口4出現粘連，則LED1和LED2都亮；端口3與Vcc或GND粘連，LED1燈的亮滅不受影響；若端口4與Vcc粘連，則對應的LED2燈常亮；若端口4與GND粘連，則對應的LED2燈常滅。

圖4 FPGA內部管腳之間的粘連情況示意圖

根據以上分析，依次給FPGA內部管腳送出高電平，FPGA內部的其他所有管腳都為高阻態“Z”，正常情況下只有一個LED燈亮，其他LED燈都不亮。若FPGA內部管腳之間存在粘連則與之相連的LED都會亮；若FPGA內部管腳存在與Vcc粘連，則對應的LED燈會常量；若FPGA引至插座處的管腳存在與地粘連，則對應的LED燈會常滅。

1.1.3 FPGA外內部管腳間的粘連及檢測

FPGA外部管腳與內部管腳的粘連情況如圖5所示, 端口4通過端口2與LED2燈相連。端口1輸入高電平，端口4輸入為高阻態“Z”，正常情況下LED1亮，而LED2不亮；若端口1與端口4出現粘連，則LED1和LED2都亮；若端口4與Vcc粘連，則對應的LED2燈常亮；若端口4與GND粘連，則對應的LED2燈常滅。根據以上分析，依次給FPGA內部管腳送出高電平，FPGA內部的其他所有管腳都為高阻態“Z”，正常情況下只有一個LED燈亮，其他LED燈都不亮。若FPGA內部管腳之間存在粘連則與之相連的LED都會亮；若FPGA內部管腳存在與Vcc粘連，則對應的LED燈會常量；若FPGA引至插座處的管腳存在與地粘連，則對應的LED燈會常滅。

圖5 FPGA外部管腳與內部管腳的粘連情況示意圖

■1.2 DSP與FPGA互連鏈路的檢測

通用信息處理板的FPGA與DSP EMIFB口相連的示意圖如圖6所示[6]。DSP產生一組信號，將DSP EMIFB口的 21位的地址線全部置零，將16根數據線由高位到低位依次送出高電平至與FPGA相連的管腳，經FPGA內部轉換后通過鏈路1從通用信息處理板的GPIO口輸出來控制外部LED燈的點亮情況，若出現多個LED燈同時被點亮則說明與DSP相連的FPGA管腳存在粘連；若出現LED該亮而不亮的情況，說明與DSP相連的FPGA管腳損壞或者鏈路2通信不暢通。同理，將DSP EMIFB口的 16位的數據線全部置零，將21根地址線由高位到低位依次送出高電平至與FPGA相連的管腳，經FPGA內部轉換后通過鏈路1從通用信息處理板的GPIO口輸出，依照上述方法觀察LED的點亮情況來判斷故障。

圖6 通用信息處理板的FPGA與DSP相連的示意圖

■1.3 FLASH與FPGA互連鏈路的檢測

通用信息處理板的FLASH與FPGA相連的示意圖如圖7所示。在DSP的協同配合下，通過FPGA構建DSP與FLASH的數據鏈路，運行DSP程序對FLASH進行擦出、讀寫等操作，并將檢測結果自行顯示。

圖7 通用信息處理板的FPGA與FASH相連的示意圖

■1.4 DSP與SDRAM互連鏈路的檢測

通用信息處理板的SDRAM與DSP EMIFA口相連的示意圖如圖8所示。DSP作為主動設備程序對SDRAM的存儲空間逐一進行擦出、讀寫等操作[7]，并將檢測結果通過FPGA構建DSP與外圍（指示）設備（LED燈）的數據鏈路自行顯示。

圖8 通用信息處理板的SDRAM與DSP相連的示意圖

2 檢測結果及分析

根據對DSP+FPGA通用處理平臺硬件檢測系統的設計思路開展了軟硬件的設計工作，基于設計的硬件檢測系統搭建的測試平臺如圖9所示。

圖9 檢測通用信息處理板的硬件測試平臺

開發的檢測硬件搭建對DSP+FPGA通用處理板的檢測系統，通過加載不同的檢測程序實現了對DSP+FPGA通用處理板所有關鍵器件（如FPGA、DSP、FLASH、SDRAM等BGA器件）的檢測，圖10顯示了對通用信息處理板FPGA外部管腳間粘連的實驗結果，通過實驗表明該檢測方法準確有效。

3 結論

本文針對基于FPGA+DSP架構的通用信息處理板的核心器件均采用了BGA封裝的芯片，依照現在的工藝水平，在焊接過程中管腳極易出現粘連的情況，介紹了一種對DSP+FPGA通用處理架構進行硬件檢測的方法，通過設計和構建硬件檢測系統，實現對DSP+FPGA通用處理平臺硬件狀態進行快速檢測，提升了DSP+FPGA通用處理平臺的可靠性和后續應用開發的效率，同時對焊接工藝也具有一定的指導意義。