特殊環(huán)境下FPGA 代碼在線升級功能的實現(xiàn)

陳召全

（中航華東光電有限公司特種顯示技術國家工程實驗室，安徽蕪湖 241002）

目前主流的FPGA 均是基于SRAM 編程的，當系統(tǒng)掉電后，編程信息全部丟失[1-2]。所以，需要在FPGA 的外圍采用非易失性器件Flash、EEPROM 來存儲代碼，在系統(tǒng)上電的時候，將編程信息讀入FPGA 內(nèi)部，形成特定功能的電路。在FPGA 調(diào)試過程中可以采用JTAG 方式下載程序，系統(tǒng)調(diào)試完成，在產(chǎn)品出廠前需要下載配置代碼到非易失性器件中。在產(chǎn)品聯(lián)試或者使用中出現(xiàn)問題，或者用戶功能升級時，都需要重新升級非易失性器件中的代碼[3]。此時就需要打開產(chǎn)品的外殼，如果產(chǎn)品是作為部件安裝在用戶的系統(tǒng)中，就需要將用戶的相關設備先拆除。這種操作還會帶來一系列的問題，尤其是特種設備，其使用環(huán)境特殊，要么人員不能靠近，要么拆卸困難，要么保密的原因不能開箱。在這些情況下，就要通過在線的方式將代碼燒寫進非易失性器件，避免開箱操作。文中為了解決此問題，提出了一種FPGA 在線升級解決方案，同時考慮到加載過程中可能斷電，或者其他原因引起加載中斷。如果不加以保護的話，會導致原始數(shù)據(jù)丟失，F(xiàn)PGA 無法啟動，就不得不開箱重新燒寫，因此提出了雙主程序分區(qū)的方法，能有效地解決這個問題，提升了可靠性。

1 在線升級系統(tǒng)組成及整體要求

文中在一款機載顯示模塊中實現(xiàn)FPGA 在線升級功能，以提升產(chǎn)品的維護性和可靠性。產(chǎn)品中采用Xilinx 的Artix-7 系列FPGA，采用主動SPI 方式對FPGA 進行配置，對應的SPI Flash 型號為N25Q064A。產(chǎn)品對外的通信方式為RS422[4-5]，通過此接口接收主機信號，進行亮度調(diào)節(jié)、信號參數(shù)調(diào)整、發(fā)送系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息。為了減少產(chǎn)品的對外接口數(shù)量，復用此接口[6-7]。為了保存在線升級過程中的中間狀態(tài)，以及控制FPGA 在上電過程中能夠正確讀取配置代碼，需要EEPROM 來存儲相應的參數(shù)。在線升級系統(tǒng)的主要組成框圖如圖1 所示。

圖1 在線升級系統(tǒng)的主要功能框圖

由于RS422 預定義的波特率為115 200，為了實現(xiàn)通用性，仍然應用此波特率，在原有的通信指令基礎上增加一些特殊指令，來實現(xiàn)在線升級功能，以控制FPGA 實現(xiàn)對外圍EEPROM 和Flash 的控制，同時為了避免用戶誤操作對系統(tǒng)配置代碼造成破壞，這些在線升級指令是不對用戶開放的，而且進行了一系列的保護措施，確保系統(tǒng)的安全性。考慮到在線升級操作過程中可能會出現(xiàn)加載過程被中斷的問題，為了避免原始數(shù)據(jù)丟失FPGA 不能正常啟動的問題，采用了雙主程序分區(qū)的方式，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

2 在線升級功能的實現(xiàn)

2.1 在線升級實現(xiàn)過程

利用Xilinx 系列FPGA 內(nèi)部的ICAPE2 (Internal Configuration Access Port)原語，實現(xiàn)FPGA 程序的動態(tài)加載[8-9]。通過ICAPE2 原語可以觸發(fā)IPROG (The internal PROGRAM_B)命令，實現(xiàn)FPGA 的熱啟動，能夠根據(jù)設置好的啟動地址，從該地址讀取FPGA 的配置數(shù)據(jù)[10-11]。

通過ICAPE2 實現(xiàn)IPROG 命令的過程為：首先，通過ICAPE2 發(fā)送同步字；其次，配置熱啟動開始地址；最后，發(fā)送IPROG 指令。當配置邏輯接收到IPROG 指令后，F(xiàn)PGA 將開始熱啟動，將INIT_B 和DONE 管腳拉低，直到FPGA 內(nèi)部所有邏輯被擦除，拉高INIT_B，并從WBSTAR 地址處讀取配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)配置數(shù)據(jù)的重加載，動態(tài)地改變了FPGA 內(nèi)部電路功能。

該文的在線升級涉及到主程序和引導程序，其中的主程序為正常工作狀態(tài)對應的程序，引導程序為專門實現(xiàn)在線升級功能的程序。主程序和引導程序分別被放置到SPI Flash 的不同區(qū)域。引導程序所在的區(qū)域是固定的，且不能被改寫，只有通過JTAG編程時才能被重新設置。主程序區(qū)域是可以被改寫，當產(chǎn)品功能改變或者性能升級時，新的配置數(shù)據(jù)會被重新寫入主程序區(qū)域。考慮到在線升級過程中可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)被破壞的情況，主程序區(qū)域被分為兩個區(qū)，一個是當前工作的區(qū)域，另一個是新配置數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)。為了保證FPGA 加載到正確的配置程序，F(xiàn)lash 中僅留存一個主程序，一旦新的主程序被寫入，并且驗證正確，即將老的主程序擦除，并且改寫進入主程序地址的寄存器數(shù)值，確保重新上電后，F(xiàn)PGA 加載新升級的配置數(shù)據(jù)。SPI Flash 內(nèi)部的空間分布如圖2 所示。

圖2 SPI Flash內(nèi)部空間分布圖

2.2 主程序實現(xiàn)

主程序為實現(xiàn)產(chǎn)品各項功能所對應的程序，也是在線升級所更新的部分。在主程序的RS422 接收模塊中增加在線升級對應的命令。主要有是否進入主程序判斷寄存器（boot_main_select），因為在引導程序和主程序中都要對此寄存器進行控制，所以不能將其存在FPGA 內(nèi)部，因為一旦重新加載程序，此寄存器就會被復位，所以只有存放到外部的非易失性存儲器EEPROM 中；另一條命令為IPROG 啟動命令（start_ICAP），實現(xiàn)從主程序回到引導程序，將引導程序配置數(shù)據(jù)加載到FPGA。主程序中與在線升級有關的部分的控制流程如圖3 所示。

圖3 主程序在線升級部分工作流程

當RS422 接收模塊接收到在線升級命令后，首先改寫boot_main_select 寄存器的數(shù)值，以便在跳轉到引導程序后，程序不會接著跳轉到主程序[12-13]。這樣就可以在引導程序控制下進行在線升級操作。同時等待start_ICAP 指令，進行引導程序的加載[14]。通過ICAPE2發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令如表1所示。

表1 ICAPE2發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令表

2.3 引導程序實現(xiàn)

2.3.1 引導程序執(zhí)行過程

引導程序放置在Flash 的00000000h 地址，當FPGA 上電后首先從此地址加載數(shù)據(jù)。引導程序加載完成后，首先要讀取boot_main_select 寄存器的數(shù)值，以及主程序選擇main _select 寄存器。如boot_main_select 寄存器對應的是主程序區(qū)，則進入main_select 指向的主程序；否則，停留在引導程序，等待相關的指令。在引導程序中，通過RS422 接收相關的控制命令和數(shù)據(jù)。主要的操作命令有：設置boot_main_select 寄存器；設置main_select 寄存器；控制SPI Flash 實現(xiàn)主程序區(qū)1 和主程序區(qū)2 中數(shù)據(jù)的讀寫和數(shù)據(jù)擦除；執(zhí)行ICAPE2 跳轉程序等。引導程序的具體執(zhí)行過程如圖4 所示。

圖4 引導程序執(zhí)行過程

2.3.2 Flash控制器的實現(xiàn)

在引導程序中，關鍵的操作是對外部的SPI Flash的控制，以實現(xiàn)新程序的寫入和舊程序的擦除[15]。所以，F(xiàn)lash 控制器的有效性對在線升級功能的實現(xiàn)起到了關鍵的作用[16]。Flash 控制器主要有Flash控制模塊，寫入數(shù)據(jù)緩存FIFO，讀出數(shù)據(jù)緩存FIFO組成。其中Flash 控制模塊根據(jù)輸入的控制命令和數(shù)據(jù)，控制Flash 的cs、sdi、sdo、sclk 信號完成相應的控制功能[17-19]。SPI Flash 控制器的總體架構如圖5所示。

圖5 SPI Flash控制器總體架構圖

在圖5 中，flash_se_en 表示的是flash 擦除使能信號，對flash_addr 對應的地址塊的數(shù)據(jù)進行擦除操作。flash_pp_en 表示flash 編程使能信號，將data_in_fifo 中的數(shù)據(jù)寫入到flash_addr 對應位置。flash_rd_en 表示flash 讀使能信號，將flash_addr 對應位置的數(shù)據(jù)讀出，并寫入到data_out_fifo 中，以便后續(xù)串口通信模塊將數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸出到上位機。各個功能模塊的實現(xiàn)如下：

1）Flash 擦除控制

在執(zhí)行Flash 擦除操作之前，先要執(zhí)行WRITE ENABLE 命令，將Flash 內(nèi)部寫使能寄存器置“1”，負責Flash 忽略擦除操作。WRITE ENABLE 設置之后，發(fā)送Flash 擦除指令D8，以及24 位Flash 擦除地址。

在發(fā)生完擦除命令后Flash 內(nèi)部開始對應的擦除操作，會存在一定的延時才能執(zhí)行相應新的操作命令，所以要周期性地發(fā)送讀狀態(tài)寄存器命令來了解Flash 的狀態(tài)，當狀態(tài)寄存器的最低位為“1”時，說明Flash 在執(zhí)行寫狀態(tài)寄存器、Flash 編程、Flash 擦除這幾個命令之一；當狀態(tài)寄存器的最低位為“0”時，F(xiàn)lash 進入空閑狀態(tài)，可以進行其他操作。

2）Flash 讀控制

Flash 讀操作的效率非常高，一次能夠將Flash中的數(shù)據(jù)全部讀出，但是產(chǎn)品和上位機之間的通信方式為RS422，傳輸速率低，所以為了保證所有的數(shù)據(jù)均能夠正確地輸出，需要data_out_fifo 的配合。文中采用的操作方式為，一次讀操作的長度為256 byte，完成一次讀操作之后判斷FIFO 中的數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果滿足下一次讀取的要求，則重新讀256 byte 的數(shù)據(jù)，對應的flash 地址也要加256，直到地址達到flash 中某個區(qū)域的上限。對應的狀態(tài)圖如圖6 所示。

圖6 讀flash邏輯狀態(tài)圖

在空閑狀態(tài)下接收到flash_rd_en 使能命令，狀態(tài)機開始跳轉，進入Rd_StReg 狀態(tài)，讀狀態(tài)寄存器判斷flash 是否空閑，空閑進入下一狀態(tài)，負責回到空閑狀態(tài)，忽略本次操作。緊接著判斷地址是否超出范圍，在正常范圍則進入發(fā)送讀命令狀態(tài)，接著發(fā)送地址狀態(tài)，因為采用的是快速讀模式，需要等待8 個時鐘周期，然后進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收完256 個數(shù)據(jù)后，進入地址增加，載回到flash_addr_check 進行判斷是否開始下一次讀取操作。

3）Flash 寫控制

Flash 寫操作也需要通過data_in_fifo 來進行數(shù)據(jù)緩存，來平衡串口和Flash 寫操作之間的速度，以免寫入錯誤。由于不清楚外部寫入數(shù)據(jù)的整長度，所以Flash 寫入采用一次寫入一個byte 的方式。操作方式與讀操作類似，這里不在贅述，其對應的狀態(tài)圖如圖7 所示。注意在操作之前需要單獨執(zhí)行對應區(qū)域的擦除操作。

圖7 寫flash邏輯狀態(tài)圖

3 系統(tǒng)功能測試

在產(chǎn)品正常工作下顯示圖像如圖8 所示，通過串口發(fā)送指令，將boot_main_select 設置為00h，然后發(fā)送start_ICAP 命令進入引導程序。在引導程序下將main 程序區(qū)域2 擦除，并寫入對應的數(shù)據(jù)，為了驗證寫入數(shù)據(jù)的有效性，在寫入完成后，將main 區(qū)域2 中的數(shù)據(jù)讀出和原始的數(shù)據(jù)進行比較，采用工具Beyond Compare 4 進行比較，左側邊沒有標紅顯示，說明寫入和讀出的數(shù)據(jù)是一樣的，則寫入正常。將main 程序區(qū)域1 對應的數(shù)據(jù)擦除，并將main_select指向程序區(qū)域2。發(fā)送start_ICAP 命令，F(xiàn)PGA 加載main 程序區(qū)域2 對應的程序，此時顯示的是灰階畫面，如圖9 所示。通過以上操作驗證了在線升級程序的有效性。

圖8 正常顯示圖像

圖9 在線加載后顯示圖像

4 結論

該文提出了一種通過RS422 在線對FPGA 進行加載的方法，通過將程序存儲Flash 分為3 個區(qū)域，分別存放引導程序和主程序1、主程序2，在線升級完成后，主程序1 區(qū)域和主程序2 區(qū)域只有一個區(qū)域存放加載數(shù)據(jù)，另一區(qū)域被擦除。在正常工作模式下，通過設置boot_main_select 寄存器，和發(fā)送start_ICAP命令，使FPGA 加載引導程序，并停留在引導程序。在引導程序下將新的代碼數(shù)據(jù)寫入相應的flash 區(qū)域，并將main_select 寄存器指向此區(qū)域，確保在上電時，能準確加載對應的數(shù)據(jù)。由于采用了兩個主程序區(qū)域，確保了在下載過程被中斷的情況下，F(xiàn)PGA能夠回到原始狀態(tài)，提升了工作可靠性。該文方法在實際項目中得到了應用，驗證了其有效性。