一種遠(yuǎn)程在線更新FPGA程序的方法

劉金福，武宏偉，楊勝姚

（北京萬集科技股份有限公司，北京 100085）

1 概 述

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）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，具有接口簡單、體積小、配置方便的特點(diǎn)，通常用來存儲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。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。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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100MHz的外部時(shí)鐘源，具有16Mb的存儲空間，足夠滿足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存儲需要。

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X－modem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，即完成了FPGA的遠(yuǎn)程在線更新程序的過程。

4 合并程序文件

Nios II的啟動要經(jīng)歷兩個(gè)過程：

①FPGA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。

②Nios 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S－Record格式數(shù)據(jù)，包含如下區(qū)域：＜type＞＜length＞ ＜address＞ ＜data＞ ＜checksum＞［6］。各字段的意思分別如下：＜type＞表示記錄的類型；＜length＞表示數(shù)據(jù)的長度；＜address＞表示數(shù)據(jù)寫入的起始地址，該字段的長度取決于＜type＞的取值；＜data＞表示存儲的數(shù)據(jù)；＜checknum＞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。其存儲布局如圖3所示。

圖3 Flash文件存儲布局

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，其存儲布局如圖5所示。

圖5 BIN文件存儲布局

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。

圖6 更新程序模塊處理流程

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X－modem協(xié)議傳輸程序文件，X－modem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。

［1］蔡偉綱.Nios II軟件架構(gòu)解析［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［2］楊釗，顏浩洋.基于EPCS Flash配置的Altera SOPC啟動及更新研究［J］.中國西部科技，2009（1）.

［3］潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：清華出版社，2005.

［4］李蘭英，等.Nios II嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］Altera.Cyclone III Device Handbook.

［6］S－Record格式詳解［OL］.（2008－04－25）［2011－10］.http：／／blog.csdn.net／norains／article／details／2326306.