FPGA固件如何進(jìn)行在線升級(jí)？
[導(dǎo)讀].FPGA也能在線升級(jí)？以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA為例，這兩家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPIFlash芯片中，常規(guī)的下載方式是使用專(zhuān)用的下載器，如Xilinx的PlatfomCableUSB或者USBBlaster，通過(guò)JTAG將程序文件下載...
. FPGA也能在線升級(jí)？
以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA為例，這兩家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPI Flash芯片中，常規(guī)的下載方式是使用專(zhuān)用的下載器，如Xilinx的Platfom Cable USB或者USB Blaster，通過(guò)JTAG將程序文件下載到外部的Flash芯片中，程序固化的過(guò)程本質(zhì)上是對(duì)片外的Flash芯片進(jìn)行固件更新。由此我們可以知道，當(dāng)FPGA產(chǎn)品量產(chǎn)，需要大批量進(jìn)行程序燒寫(xiě)時(shí)，只需要使用SPI Flash燒寫(xiě)器通過(guò)燒錄座對(duì)Flash芯片進(jìn)行燒寫(xiě)，燒寫(xiě)完成之后再焊接到板子上。- FPGA板卡（含外部SPI Flash），如Spartan-6系列XC6SLX9 FPGA M25P16 SPI Flash
- 專(zhuān)用的PC串口上位機(jī)，也可以使用通用的串口助手，自定義的串口助手會(huì)增強(qiáng)通訊的穩(wěn)定性和可靠性
- USB-TTL串口模塊，用于FPGA和PC進(jìn)行通訊
- 專(zhuān)用的FPGA固件代碼
. FPGA程序文件結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我們需要先了解一下FPGA的程序文件格式，以Xilinx FPGA程序文件為例，主要有兩種文件格式：Bit文件和Mcs文件。前者Bit文件通常用于調(diào)試，Bit文件會(huì)下載到FPGA芯片內(nèi)部RAM空間，掉電程序會(huì)丟失，因?yàn)镕PGA開(kāi)發(fā)階段需要頻繁的進(jìn)行程序的擦除燒寫(xiě)操作，這樣的好處是程序下載速度非?？欤粫?huì)消耗Flash芯片的壽命。后者M(jìn)cs文件通常用于最后的程序發(fā)布，產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)使用，它可以由Bit文件文件生成，在生成過(guò)程中需要指定外部SPI Flash的存儲(chǔ)大小。關(guān)于這兩種文件格式的介紹可以查看以下文章：- Xilinx Bit文件格式詳解
- Xilinx MCS(HEX)文件格式詳解
. 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
為了保證升級(jí)的穩(wěn)定性，我們不使用通用的串口調(diào)試助手，通過(guò)自定義通訊協(xié)議和串口上位機(jī)，可以提高升級(jí)的可靠性。串口通訊波特率通常為幾百KBps，而SPI控制器讀寫(xiě)頻率通常為幾十MHz，為了能將數(shù)據(jù)完整有序的接收、保存、寫(xiě)入，我們需要先將串口接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的FIFO中，作為緩存和跨時(shí)鐘域處理。串口上位機(jī)解析出Mcs文件中的數(shù)據(jù)部分，啟動(dòng)傳輸前，先發(fā)啟動(dòng)命令，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后發(fā)送結(jié)束命令。數(shù)據(jù)幀包括：幀頭 256字節(jié)數(shù)據(jù) CRC校驗(yàn)值。FPGA接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確回復(fù)給上位機(jī)一個(gè)正確響應(yīng)信號(hào)，校驗(yàn)錯(cuò)誤回復(fù)錯(cuò)誤響應(yīng)信號(hào)，串口上位機(jī)接收到正確的響應(yīng)信號(hào)后，繼續(xù)發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，接收到錯(cuò)誤的響應(yīng)信號(hào)后，重復(fù)發(fā)上一幀數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完成，最后發(fā)送一個(gè)結(jié)束命令。這樣就簡(jiǎn)單定義了一個(gè)發(fā)送-響應(yīng)機(jī)制的通訊協(xié)議。. SPI芯片數(shù)據(jù)寫(xiě)入
SPI數(shù)據(jù)的寫(xiě)入有兩種方式：- 每接收到一幀數(shù)據(jù)之后，對(duì)SPI執(zhí)行一次寫(xiě)256字節(jié)操作
- 所有的數(shù)據(jù)接收完成后，一次性將數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部的SPI Flash芯片。
. SPI芯片擦除和校驗(yàn)
同理，為了保證程序能正常運(yùn)行，在數(shù)據(jù)接收完成后，數(shù)據(jù)寫(xiě)入前，我們需要對(duì)SPI芯片執(zhí)行全片擦除指令，這個(gè)擦除時(shí)間一般會(huì)比較長(zhǎng)，通常和存儲(chǔ)大小相關(guān)，擦除完成之后，再執(zhí)行寫(xiě)入，寫(xiě)入完成之后，如果有必要，可以對(duì)指定存儲(chǔ)區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀，和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而達(dá)到校驗(yàn)的目的。. 總結(jié)
升級(jí)模塊可以獨(dú)立于應(yīng)用邏輯，作為一個(gè)單獨(dú)的功能，不會(huì)影響正常的代碼邏輯。本文只是提供一個(gè)大致實(shí)現(xiàn)思路，如果要是做得非常完美，工作量還是很大的。當(dāng)然串口只是一種升級(jí)方式，還可以通過(guò)SD卡升級(jí)，網(wǎng)口升級(jí)，USB升級(jí)，WiFi升級(jí)，外部控制器（如STM32）對(duì)FPGA進(jìn)行程序更新等等。. 更多
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