FPGA程序遠(yuǎn)程在線更新設(shè)計(jì)
1 概述
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、通信、工業(yè)控制等方面得到了大量應(yīng)用。FPGA的處理器分為軟核和硬核，并且軟核處理器具有高度的靈活性和可配置性。
由于FPGA器件采用的是SRAM工藝，在斷電的情況下FPGA內(nèi)的配置數(shù)據(jù)將丟失，所以需要非易失的存儲(chǔ)器來結(jié)合FPGA完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。EPCS(Erasable Programmable Configurable Serial)Flash屬于串行接口Flash，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、配置方便的特點(diǎn)，通常用來存儲(chǔ)FPGA的配置文件和Nios II的軟件可執(zhí)行代碼。在經(jīng)過合理的配置后，系統(tǒng)在上電后就可以從EPCS Flash中讀取這些文件來啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。
為了能使系統(tǒng)得到更靈活的應(yīng)用，充分發(fā)揮FPGA的靈活性、高效性，F(xiàn)PGA的軟硬件程序都需要方便的更新和升級(jí)功能;而當(dāng)形成產(chǎn)品后，通過JTAG和Nios II IDE工具來聯(lián)合完成對(duì)EPCS Flash的更新燒寫很不方便。為此，本文結(jié)合Altera公司提供的工具，提出了一種遠(yuǎn)程在線更新FPGA配置文件和Nios II程序文件的方法。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)主要有上位機(jī)系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、EPCS Flash三個(gè)主體部分。上位機(jī)系統(tǒng)提供人機(jī)交互的部分，F(xiàn)PGA系統(tǒng)包括Nios II處理器、EPCS控制器、網(wǎng)絡(luò)及串行接口和其他外部接口，EPCS Flash主要用于存儲(chǔ)FPGA的配置文件和Nios程序映像文件。上位機(jī)系統(tǒng)通過FPGA集成的網(wǎng)絡(luò)及串行接口來完成通信工作。
FPGA采用Altera公司的Cyclone III系統(tǒng)的EP3C40F484I7N芯片。它具有低功耗、高集成度、易于使用的特性。EPCS Flash采用Altera公司的EPCS16SI16N芯片，它支持多種可配置的時(shí)鐘源，最高支持100 MHz的外部時(shí)鐘源，具有16 Mb的存儲(chǔ)空間，足夠滿足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存儲(chǔ)需要。
3 更新程序處理流程
更新FPGA的配置文件和Nios II的應(yīng)用程序的流程如圖2所示。
圖2 更新程序處理流程
本方法把由Nios II IDE生成的FPGA配置文件和Nios II程序文件合并，并編程為一個(gè)可以直接執(zhí)行的、包含F(xiàn)PGA配置文件和Nios II程序文件的二進(jìn)制BIN文件。然后把該文件通過Xmodem協(xié)議由上位機(jī)系統(tǒng)傳輸給Nios II的應(yīng)用程序。Nios II的應(yīng)用程序接收到完整的BIN文件后，把該BIN文件寫入到EPCS Flash中。最后，Nios II的應(yīng)用程序停止看門狗，程序重新啟動(dòng)，即完成了FPGA的遠(yuǎn)程在線更新程序的過程。
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4 合并程序文件
Nios II的啟動(dòng)要經(jīng)歷兩個(gè)過程：
① FPGA器件本身的配置過程。如果內(nèi)部邏輯中使用了Nios II，則配置完成的FPGA中包含有Nios II軟核CPU。
② Nios II本身的應(yīng)用過程。一旦FPGA配置成功后，Nios II就被邏輯中的復(fù)位電路復(fù)位，從reset地址開始執(zhí)行代碼。
Nios II IDE將FPGA的配置文件(.sof文件)和應(yīng)用程序(.elf文件)轉(zhuǎn)成flash格式文件，轉(zhuǎn)換后的flash格式文件是一種SRecord格式數(shù)據(jù)，包含如下區(qū)域：
[6]。各字段的意思分別如下：表示記錄的類型;表示數(shù)據(jù)的長度;
表示數(shù)據(jù)寫入的起始地址，該字段的長度取決于的取值;表示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù);表示校驗(yàn)位。
配置文件和應(yīng)用程序可能有多個(gè)段，每個(gè)段前面都插有一個(gè)“程序記錄”。一個(gè)“程序記錄”由2個(gè)32位的數(shù)據(jù)構(gòu)成，一個(gè)是32位的整數(shù)，另一個(gè)是32位的地址，分別表示程序段本身的長度和程序段的運(yùn)行時(shí)地址。其存儲(chǔ)布局如圖3所示。
圖3 Flash文件存儲(chǔ)布局
為了在更新程序時(shí)把FPGA配置文件和Nios II應(yīng)用程序一起更新，把FPGA配置文件和Nios II應(yīng)用程序合并成一個(gè)文件，并且把合并后的Flash格式的文件轉(zhuǎn)換成不需要地址解碼就能直接執(zhí)行的二進(jìn)制BIN文件。具體處理流程如圖4所示。
圖4 合并程序文件流程
在合并程序的過程中，去掉了flash文件中的長度、目的地址等用于解析程序的信息，并且把程序映像由字符格式轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式。合并后的BIN文件包含F(xiàn)PGA配置文件和Nios II應(yīng)用程序，并且Nios II應(yīng)用程序緊挨在FPGA配置文件的后面，其存儲(chǔ)布局如圖5所示。
…
程序文件第n個(gè)程序段映像
…
Len1~Len1+L2程序文件第1個(gè)程序段映像
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配置文件第n個(gè)程序段映像
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0~L1配置文件第1個(gè)程序段映像
圖5 BIN文件存儲(chǔ)布局
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5 Nios II更新程序模塊處理
Nios II程序中的更新程序模塊主要負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收合并后的可執(zhí)行BIN文件，并把該BIN文件寫入EPCS Flash，處理流程如圖6所示。
5.1 程序文件的傳輸
Nios II應(yīng)用程序中的更新程序模塊和上位機(jī)系統(tǒng)采用Xmodem協(xié)議傳輸程序文件，Xmodem協(xié)議是一種網(wǎng)口和串口通信中廣泛用到的異步傳輸協(xié)議。
如果在程序傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，更新程序模塊能夠通過設(shè)置超時(shí)來退出更新程序的狀態(tài)。
5.2 對(duì)EPCS Flash的讀寫
由于EPCS Flash的串行配置器件定義了特殊的讀寫協(xié)議，所以Nios II程序只能通過Altera提供的HAL API(Application Program Interface，應(yīng)用程序接口)來完成讀寫Flash。打開、關(guān)閉Flash設(shè)備的API為：alt_flash_open_dev()和alt_flash_close_dev()。操作Flash讀寫的API為：alt_read_flash()和alt_write_flash_block()。清除Flash的API為alt_erase_falsh_block()。
結(jié)語
本文以提高FPGA遠(yuǎn)程更新程序的方便性為目標(biāo)，提出了一種基于EPCS Flash的遠(yuǎn)程在線更新FPGA程序的方法，從而在應(yīng)用中能夠使基于FPGA的產(chǎn)品更加方便地維護(hù)升級(jí)。
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