一種遠程在線更新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

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等優點，在航空航天、通信、工業控制等方面得到了大量應用。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內的配置數據將丟失，所以需要非易失的存儲器來結合FPGA完成嵌入式系統的設計。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，通常用來存儲FPGA的配置文件和Nios II的軟件可執行代碼。在經過合理的配置后，系統在上電后就可以從EPCS Flash中讀取這些文件來啟動整個系統。

為了能使系統得到更靈活的應用，充分發揮FPGA的靈活性、高效性，FPGA的軟硬件程序都需要方便的更新和升級功能；而當形成產品后，通過JTAG和Nios II IDE工具來聯合完成對EPCS Flash的更新燒寫很不方便。為此，本文結合Altera公司提供的工具，提出了一種遠程在線更新FPGA配置文件和Nios II程序文件的方法。

2 系統硬件結構

系統硬件結構如圖1所示。系統主要有上位機系統、FPGA系統、EPCS Flash三個主體部分。上位機系統提供人機交互的部分，FPGA系統包括Nios II處理器、EPCS控制器、網絡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。上位機系統通過FPGA集成的網絡及串行接口來完成通信工作。

圖1 系統硬件結構圖

FPGA采用Altera公司的Cyclone III系統的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鐘源，最高支持100MHz的外部時鐘源，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，并編程為一個可以直接執行的、包含FPGA配置文件和Nios II程序文件的二進制BIN文件。然后把該文件通過X－modem協議由上位機系統傳輸給Nios II的應用程序。Nios II的應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的應用程序停止看門狗，程序重新啟動，即完成了FPGA的遠程在線更新程序的過程。

4 合并程序文件

Nios II的啟動要經歷兩個過程：

①FPGA器件本身的配置過程。如果內部邏輯中使用了Nios II，則配置完成的FPGA中包含有Nios II軟核CPU。

②Nios II本身的應用過程。一旦FPGA配置成功后，Nios II就被邏輯中的復位電路復位，從reset地址開始執行代碼。

Nios II IDE將FPGA的配置文件（.sof文件）和應用程序（.elf文件）轉成flash格式文件，轉換后的flash格式文件是一種S－Record格式數據，包含如下區域：＜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＞表示數據的長度；＜address＞表示數據寫入的起始地址，該字段的長度取決于＜type＞的取值；＜data＞表示存儲的數據；＜checknum＞表示校驗位。

配置文件和應用程序可能有多個段，每個段前面都插有一個“程序記錄”。一個“程序記錄”由2個32位的數據構成，一個是32位的整數，另一個是32位的地址，分別表示程序段本身的長度和程序段的運行時地址。其存儲布局如圖3所示。

圖3 Flash文件存儲布局

為了在更新程序時把FPGA配置文件和Nios II應用程序一起更新，把FPGA配置文件和Nios II應用程序合并成一個文件，并且把合并后的Flash格式的文件轉換成不需要地址解碼就能直接執行的二進制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換為二進制格式。合并后的BIN文件包含FPGA配置文件和Nios II應用程序，并且Nios II應用程序緊挨在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責從上位機接收合并后的可執行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應用程序中的更新程序模塊和上位機系統采用X－modem協議傳輸程序文件，X－modem協議是一種網口和串口通信中廣泛用到的異步傳輸協議。

如果在程序傳輸過程中出現錯誤，更新程序模塊能夠通過設置超時來退出更新程序的狀態。

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議，所以Nios II程序只能通過Altera提供的HAL API（Application Program Interface，應用程序接口）來完成讀寫Flash。打開、關閉Flash設備的 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 語

本文以提高FPGA遠程更新程序的方便性為目標，提出了一種基于EPCS Flash的遠程在線更新FPGA程序的方法，從而在應用中能夠使基于FPGA的產品更加方便地維護升級。

［1］蔡偉綱.Nios II軟件架構解析［M］.西安：西安電子科技大學出版社，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，曾毓.SOPC技術實用教程［M］.北京：清華出版社，2005.

［4］李蘭英，等.Nios II嵌入式軟核SOPC設計原理及應用［M］.北京航空航天大學出版社，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.