基于超聲系統(tǒng)的FPGA 在線升級(jí)方案

孟憲華 李健鐸

（東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽 110034）

在先前低版本的臺(tái)車式醫(yī)療超聲系統(tǒng)中，配置了SP（Signal Processing）板和BF（Beamforming）板，每塊電路板中都有FPGA 芯片，F(xiàn)PGA 執(zhí)行的代碼是固化在配置芯片F(xiàn)lash中。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，芯片會(huì)從Flash 中下載執(zhí)行代碼。這樣的架構(gòu)在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)的問題：

（1）一旦FPGA 代碼需要更新或升級(jí)，則需要服務(wù)工程師現(xiàn)場(chǎng)更換電路板，同時(shí)將舊電路板返廠，再由加工廠將Flash 芯片的內(nèi)容重新更新；或采用專用JTAG 下載器進(jìn)行代碼升級(jí)，需要在客戶現(xiàn)場(chǎng)拆機(jī)操作，比較耗時(shí)。這樣升級(jí)成本特別高，而且十分繁瑣，直接導(dǎo)致服務(wù)成本增加。

（2）對(duì)于硬件完全相同的兩個(gè)電路板，但由于Flash 中存儲(chǔ)的程序不同，導(dǎo)致同一個(gè)電路板有兩個(gè)PartNumber。也就是對(duì)于一個(gè)完全相同的電路板，僅僅由于存儲(chǔ)的程序不同，還需要同時(shí)維護(hù)兩套PartNumber，直接導(dǎo)致管理成本增加。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題，將FPGA 固件升級(jí)方案進(jìn)行調(diào)整，基本設(shè)計(jì)思路如下：

FPGA 在線升級(jí)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 FPGA 在線升級(jí)結(jié)構(gòu)框圖

2 FPGA 設(shè)計(jì)方案

2.1 SP 板Multiboot 原理

本設(shè)計(jì)將FLASH 的16M 存儲(chǔ)空間等分成兩個(gè)部分，在QSPI-Flash 中，存儲(chǔ)了兩個(gè)FPGA 的配置程序，一個(gè)是“Golden Boot”（G） 另一個(gè)是“Update Boot”（U）。根據(jù)XC7K325T 芯片支持Multiboot（多鏡像啟動(dòng)功能），基本原理如圖2 所示，Golden 文件是原始出廠程序，F(xiàn)LASH 中的起始位置為address 0，即Flash 啟動(dòng)時(shí)加載的位置；Update 文件是更新文件，位于FLASH 的Address X，X 可以根據(jù)文件大小進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計(jì)中的位置為FLASH 中間部分。SP 板上電后，在啟動(dòng)階段，XC7K325T 芯片中ICAP 模塊會(huì)從Flash的首地址開始，讀取Golden 文件。當(dāng)Golden 程序讀取完后，會(huì)執(zhí)行跳轉(zhuǎn)命令，會(huì)根據(jù)WBSTART 中的地址，直接跳轉(zhuǎn)到Update 文件的起始地址，繼續(xù)進(jìn)行讀取配置文件動(dòng)作。當(dāng)Update 文件讀取完成后，F(xiàn)PGA 代碼配置成功，Config_done信號(hào)釋放。

圖2 FPGA 的MultiBoot 配置方式

如果由于某種原因讀取Update 配置文件出錯(cuò)（如讀取過程出錯(cuò)，或update 文件存儲(chǔ)錯(cuò)誤），F(xiàn)PGA 會(huì)重新調(diào)取Golden 配置文件。這就是MultiBoot 的Fallback 功能。這樣的機(jī)制使得系統(tǒng)具有魯棒性。同時(shí)可擴(kuò)展性得到了大大的增強(qiáng)。具體的FallBack 執(zhí)行過程如圖3 所示。

圖3 FallBack 執(zhí)行過程

2.2 SP 板更新方案設(shè)計(jì)

通常Golden 配置文件僅僅具有最簡(jiǎn)單的必要功能（如PCIE，F(xiàn)lash_Programmer，Hardware_info 等），而Update 文件則存儲(chǔ)的是全部功能，也就是系統(tǒng)工作使用的全程序。通常Golden 文件是幾乎不會(huì)做改動(dòng)的，Golden 文件在電路板加工廠出廠時(shí)，已經(jīng)被固化在指定空間內(nèi)。針對(duì)這樣的存儲(chǔ)和執(zhí)行機(jī)制，可以增加許多可擴(kuò)展的功能。

如圖4 所示，當(dāng)需要更新Update 文件時(shí)，HOST PC 端通過上層應(yīng)用，將需要更新的Update 下載文件U'，（通常格式為.bit 或者.mcs）通過PCIE 總線將數(shù)據(jù)傳遞到FPGA，F(xiàn)PGA的Flash_Programmer 功能模塊會(huì)將這個(gè)U'文件替換原來的Updte 文件。上層程序被設(shè)計(jì)為只能對(duì)Upadete 的空間進(jìn)行刷寫，而Golden 文件的空間是禁止讀寫的。這樣也就保證了Golden 文件的安全。在升級(jí)過程中，即使upadte 出錯(cuò)，Golden仍然好用。

圖4 SP 板的更新原理

2.3 BF 板更新方案設(shè)計(jì)

BF 板的FPGA 并沒有配備存儲(chǔ)配置文件的Flash 芯片，通過FPGA 的Slave Serial Mode 配置方式，來進(jìn)行下載文件。通常，這種模式配置方式是如圖5 所實(shí)現(xiàn)，MCU 通過一個(gè)CPLD，將配置文件寫入FPGA，配置文件在MCU 中存儲(chǔ)。

圖5 Slave Serial Mode 配置方式

本設(shè)計(jì)中采用了Host PC+FPGA 的方式實(shí)現(xiàn)，具體更新方案設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 更新方案設(shè)計(jì)框圖

Host PC 通過PCIE，將配置文件傳送到SP 板的FPGA，SP 板的FPGA 再將這個(gè)文件重新解析打包，對(duì)BF 板的FPGA 進(jìn)行配置。

3 程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中共包括三個(gè)部分開發(fā)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，windows 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及FPGA 硬件功能實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序主要分為兩個(gè)模塊功能：（1）將FPGA 的bit 文件通過PCIE 總線下載到SP 板的Flash中，只更新Update 部分的Flash 空間；（2）將FPGA 的bin 文件通過PCIE 總線，在SP 板的FPGA 中做協(xié)議解析，對(duì)BF 板進(jìn)行配置。

SP 板的配置過程如圖7 所示。

圖7 SP 板的配置過程

BF 板的配置過程，如圖8 箭頭部分所示。

圖8 BF 板的配置過程

3.1 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件部分主要包括PCIE 模塊，F(xiàn)IFO 模塊，SPI 端口模塊，如圖9 所示。

圖9 硬件數(shù)據(jù)通路

（1）PCIE 模塊有以下幾個(gè)作用：硬件枚舉識(shí)別，提供標(biāo)準(zhǔn)PCIE 協(xié)議，數(shù)據(jù)分層，連接驅(qū)動(dòng)；

（2）FIFO 模塊的作用：避免跨時(shí)鐘域，數(shù)據(jù)傳遞；

（3）SPI 模塊的作用：提供Flash 端口，提供標(biāo)準(zhǔn)的SPI 協(xié)議。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)基本界面，如圖10 所示，基本功能如下：

圖10 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

（1）獲取硬件SP&BF 設(shè)備ID；

（2）硬件讀寫擦除功能；

（3）進(jìn)度條顯示。

3.3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)工程生成文件如下：

（1）.exe 文件為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行文件；

（2）.inf 文件為硬件設(shè)備的信息；

（3）.pdb 文件為程序的數(shù)據(jù)庫；

（4）.sys 文件為驅(qū)動(dòng)程序的可執(zhí)行代碼。

運(yùn)行exe 文件即可安裝驅(qū)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)共創(chuàng)建了3 個(gè)地址空間，加載驅(qū)動(dòng)后，在系統(tǒng)任務(wù)管理器中觀察設(shè)備資源情況如圖11 所示。

圖11 PCIE 枚舉信息

4 結(jié)論

本方案所有技術(shù)上的難點(diǎn)都已經(jīng)克服，經(jīng)過調(diào)試及驗(yàn)證測(cè)試后，已經(jīng)配置在多型號(hào)臺(tái)車式醫(yī)療超聲系統(tǒng)中，并通過了整機(jī)測(cè)試。