FPGA程序远程在线更新设计

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1　概述
       
        　　现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等优点，在航空航天、通信、工业控制等方面得到了大量应用。FPGA的处理器分为软核和硬核，并且软核处理器具有高度的灵活性和可配置性。
       
        　　由于FPGA器件采用的是SRAM工艺，在断电的情况下FPGA内的配置数据将丢失，所以需要非易失的存储器来结合FPGA完成嵌入式系统的设计。EPCS（Erasable Programmable Configurable Serial）Flash属于串行接口Flash，具有接口简单、体积小、配置方便的特点，通常用来存储FPGA的配置文件和Nios II的软件可执行代码。在经过合理的配置后，系统在上电后就可以从EPCS Flash中读取这些文件来启动整个系统。
       
        　　为了能使系统得到更灵活的应用，充分发挥FPGA的灵活性、高效性，FPGA的软硬件程序都需要方便的更新和升级功能；而当形成产品后，通过JTAG和Nios II IDE工具来联合完成对EPCS Flash的更新烧写很不方便。为此，本文结合Altera公司提供的工具，提出了一种远程在线更新FPGA配置文件和Nios II程序文件的方法。
       
        2　系统硬件结构
       
        　　系统硬件结构如图1所示。
       
        图1　系统硬件结构图
       
        　　系统主要有上位机系统、FPGA系统、EPCS Flash三个主体部分。上位机系统提供人机交互的部分，FPGA系统包括Nios II处理器、EPCS控制器、网络及串行接口和其他外部接口，EPCS Flash主要用于存储FPGA的配置文件和Nios程序映像文件。上位机系统通过FPGA集成的网络及串行接口来完成通信工作。
       
        　　FPGA采用Altera公司的Cyclone III系统的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，它支持多种可配置的时钟源，最高支持100 MHz的外部时钟源，具有16 Mb的存储空间，足够满足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存储需要。
       
        3　更新程序处理流程
       
        　　更新FPGA的配置文件和Nios II的应用程序的流程如图2所示。
       
        图2　更新程序处理流程
       
        　　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，并编程为一个可以直接执行的、包含FPGA配置文件和Nios II程序文件的二进制BIN文件。然后把该文件通过Xmodem协议由上位机系统传输给Nios II的应用程序。Nios II的应用程序接收到完整的BIN文件后，把该BIN文件写入到EPCS Flash中。最后，Nios II的应用程序停止看门狗，程序重新启动，即完成了FPGA的远程在线更新程序的过程。
       
        4　合并程序文件
       
        　　Nios II的启动要经历两个过程：
       
        ① FPGA器件本身的配置过程。如果内部逻辑中使用了Nios II，则配置完成的FPGA中包含有Nios II软核CPU。
       
        ② Nios II本身的应用过程。一旦FPGA配置成功后，Nios II就被逻辑中的复位电路复位，从reset地址开始执行代码。
       
        　　Nios II IDE将FPGA的配置文件（.sof文件）和应用程序（.elf文件）转成flash格式文件，转换后的flash格式文件是一种SRecord格式数据，包含如下区域：<type> <length> <address> <data> <checksum>[6]。各字段的意思分别如下：<type>表示记录的类型；<length>表示数据的长度；<address>表示数据写入的起始地址，该字段的长度取决于<type>的取值；<data>表示存储的数据；<checknum>表示校验位。
       
        　　配置文件和应用程序可能有多个段，每个段前面都插有一个“程序记录”。一个“程序记录”由2个32位的数据构成，一个是32位的整数，另一个是32位的地址，分别表示程序段本身的长度和程序段的运行时地址。其存储布局如图3所示。
       
        图3　Flash文件存储布局
       
        　　为了在更新程序时把FPGA配置文件和Nios II应用程序一起更新，把FPGA配置文件和Nios II应用程序合并成一个文件，并且把合并后的Flash格式的文件转换成不需要地址解码就能直接执行的二进制BIN文件。具体处理流程如图4所示。
       
        图4　合并程序文件流程
       
        　　在合并程序的过程中，去掉了flash文件中的长度、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转换为二进制格式。合并后的BIN文件包含FPGA配置文件和Nios II应用程序，并且Nios II应用程序紧挨在FPGA配置文件的后面，其存储布局如图5所示。
        …
        程序文件第n个程序段映像
        …
        Len1~Len1+L2程序文件第1个程序段映像
        …
        配置文件第n个程序段映像
        …
        0~L1配置文件第1个程序段映像
       
        图5　BIN文件存储布局
       
        5　Nios II更新程序模块处理
       
        　　Nios II程序中的更新程序模块主要负责从上位机接收合并后的可执行BIN文件，并把该BIN文件写入EPCS Flash，处理流程如图6所示。
       
        5.1　程序文件的传输
       
        　　Nios II应用程序中的更新程序模块和上位机系统采用Xmodem协议传输程序文件，Xmodem协议是一种网口和串口通信中广泛用到的异步传输协议。
       
        　　如果在程序传输过程中出现错误，更新程序模块能够通过设置超时来退出更新程序的状态。
       
        5.2　对EPCS Flash的读写
       
        　　由于EPCS Flash的串行配置器件定义了特殊的读写协议，所以Nios II程序只能通过Altera提供的HAL API（Application Program Interface，应用程序接口）来完成读写Flash。打开、关闭Flash设备的API为：alt_flash_open_dev()和alt_flash_close_dev()。操作Flash读写的API为：alt_read_flash()和alt_write_flash_block()。清除Flash的API为alt_erase_falsh_block()。
       
        结语
       
        　　本文以提高FPGA远程更新程序的方便性为目标，提出了一种基于EPCS Flash的远程在线更新FPGA程序的方法，从而在应用中能够使基于FPGA的产品更加方便地维护升级。