CN106598650A - 基于光纤通信的fpga程序在线升级的装置及方法 - Google Patents
基于光纤通信的fpga程序在线升级的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法。依据该方法设计的装置通过上位机升级软件将FPGA程序的配置文件以以太网帧的形式发送到FPGA，FPGA解析以太网帧并响应操作请求将配置文件写入到配置芯片中；同时上位机升级软件可以命令FPGA加载配置芯片中不同区域的程序镜像，实现FPGA在升级镜像和应用镜像之间的切换；当需要升级程序时让FPGA加载升级镜像，完成后再加载应用镜像，这样就实现了FPGA程序的在线升级。本发明所需物理资源少，可有效缩短研发周期、降低设计成本；下载方式简易方便，通过光纤接口接入无需开箱；适用广泛，FPGA程序可移植性好。
Description
技术领域
本发明属于FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)程序升级技术领域，尤其涉及的是一种基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法。
背景技术
由于FPGA是基于SRAM工艺，在断电之后FPGA内部的配置数据就会丢失，因此电路设计中往往需要非易失的存储器(如EEPROM、Flash)来存储FPGA的配置文件。
目前，实现FPGA的程序升级有几种方法：
一种是通过JTAG(Joint Test Action Group，即联合测试工作组)接口来连接下载电缆，电缆另一端与专用下载器相连，通过下载器配合下载软件可完成升级过程。但JTAG不是常用接口，每次升级程序都需要拆箱进行，因此这种方法在工程调试中十分不便。
一种是由控制器(包括MCU、CPU、DSP等)将配置文件写入到配置芯片或者直接加载到FPGA中。例如在申请号为CN201510885026.3的专利中采用了DSP与FPGA配合实现FPGA程序在线升级。该方法不依赖下载电缆，甚至无需配置芯片，多年来在工程设计中被广泛采用。但是该方法所需额外控制器，方案实现较为复杂，使得研发成本大大增加。
除此之外，例如在申请号为CN201410336383.X的专利中采用FPGA嵌入式软核来实现FPGA程序在线升级的方法。但该方法由于嵌入式软核易占用FPGA大量逻辑单元，同时对于研发人员的专业水平要求也非常高。
总之，所述当前现有技术中，对于FPGA程序升级仍然缺少一种解决方案，使得设计中既不增加额外的物理资源，又能不拆箱实现FPGA程序的升级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供了一种基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法。该装置没有使用额外的控制器，又能通过光纤接口实现不拆箱操作的FPGA程序在线升级。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，包括：用于连接外部光纤的光纤接口，用于以太网帧传输的以太网芯片，用于存储FPGA配置文件和参数值的配置芯片，用于加载配置芯片中配置文件的不同镜像实现不同的逻辑功能的FPGA，所述光纤接口、以太网芯片、FPGA、配置芯片依次顺序连接，外部光纤经光纤收发器连接至安装有上位机升级软件的上位机。
所述配置芯片的存储区域划分为启动区、升级区、应用区和参数区，分别用来存储FPGA配置文件和参数值，FPGA配置文件包括启动镜像、FPGA升级镜像、FPGA应用镜像三部分。
所述启动镜像为开启FPGA多重镜像加载功能的16进制代码，启动镜像加载完成后会自动跳转到下一个镜像，启动镜像从配置芯片的起始地址开始存储，启动镜像中保存有下一个镜像的加载地址，因此可以通过修改该地址值实现FPGA不同镜像的加载；
所述FPGA升级镜像能使FPGA与上位机升级软件进行以太网通信交互，响应操作指令和配置文件传输，监视当前传输状态反馈给上位机，控制SPI控制器完成对配置芯片的读写，并校验程序、记录程序版本，从而实现将配置文件安全可靠的传送到配置芯片的过程；
所述FPGA应用镜像用于存储所有应用功能的程序，同时也包括FPGA与上位机软件通信交互的程序，该交互程序可实现响应操作命令、返回反馈值等功能。
所述参数值包括当前应用镜像的修改时间、版本信息、校验值信息，方便上位机升级软件的查询。
所述的FPGA的型号须具备多重镜像加载功能，能将多个程序镜像加载在一个FPGA配置文件中，根据需要实现不同程序的加载。
所述的FPGA与配置芯片之间设有用于连接配置芯片引脚与FPGA配置IO引脚实现FPGA的程序加载的第一复用SPI总线，以及用于连接配置芯片引脚与FPGA普通IO引脚实现FPGA上电后对配置芯片读写的第二复用SPI总线。
所述的FPGA包括以太网芯片控制器、以太网帧解析模块、命令处理模块、数据处理模块和SPI控制器。
基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置进行在线升级的方法，包括以下步骤：
步骤1、使用ISE Design Suite编译生成FPGA底层配置文件；
所述的FPGA底层配置文件包括启动镜像和FPGA升级镜像，打开Xilinx的ISEDesign Suite软件的Creat PROM File界面，将启动镜像和FPGA升级镜像两个bit文件依次添加进来，可生成包含两个镜像的mcs文件，即底层配置文件。
步骤2、使用ISE Design Suite写入FPGA底层配置文件；
ISE Design Suite通过JTAG接口和FPGA下载器电缆，将FPGA底层配置文件下载到配置芯片中。
步骤3：重启装置电源，FPGA首先自动加载启动镜像，紧接着加载升级镜像程序。
步骤4：使用ISE Design Suite编译生成FPGA应用镜像；配置芯片中写入底层配置之后，每次FPGA程序在线升级从步骤4开始执行即可。
步骤5：上位机升级软件控制与FPGA通过命令交互和数据传输完成FPGA程序在线升级；
步骤5-1：上位机升级软件载入FPGA应用镜像，将FPGA应用镜像转化为以太网帧的形式；
步骤5-2：上位机升级软件建立与FPGA的通信连接；
步骤5-3：上位机升级软件通过FPGA读取配置芯片参数区中程序的版本信息，若当前的版本信息与要更新的版本信息一致说明当前运行程序为最新版本无需更新，操作结束；若否，执行步骤5-4；
步骤5-4：上位机升级软件通过FPGA修改启动镜像的加载地址使FPGA加载升级镜像；
步骤5-5：上位机升级软件通过FPGA擦除配置芯片应用区存储空间和参数区版本信息；
步骤5-6：上位机升级软件与FPGA发起数据传输操作，FPGA将接收到的以太网帧一帧一帧解析并写入到配置芯片中，并回读配置芯片中的数据检查是否正确；如果传输过程中出现校验失败或者光纤断链则终止传输，从步骤5-5重新操作；如果传输过程中出现装置断电，重启之后FPGA首先加载启动镜像，然后运行升级镜像，并从步骤5-2重新操作，因此不会造成FPGA无法工作的情况；
步骤5-7：上位机升级软件通过FPGA将当前FPGA版本信息写入到参数区，并修改启动镜像加载地址，使FPGA加载应用镜像；FPGA程序在线升级完成。
每次目标装置重启之后，FPGA首先加载启动镜像，然后运行应用镜像。如果需要再次程序在线升级从S4开始操作。
本发明的有益效果：
(1)不依赖额外的控制器，所需物理资源少，可有效缩短研发周期、降低设计成本；
(2)下载方式简易方便，通过光纤接口接入无需装置开箱；
(3)由上位机升级软件主控整个升级流程，可确保FPGA稳定工作；
(4)适用广泛，FPGA程序可移植性好。
附图说明
图1为本装置的结构功能示意图
图2为本装置的配置芯片存储区域划分图
图3为本装置的配置芯片启动区启动镜像16进制代码图
图4为本装置的配置芯片升级区升级镜像结构示意图
图5为本装置的配置芯片应用区应用镜像结构示意图
图6为本方法的流程图
图1、4、5中，1—装有升级软件的上位机；2—光纤收发器；3—光纤线；4—光纤接口；5—以太网芯片；6—FPGA；7—第一复用SPI总线；8—第二复用SPI总线；9—配置芯片。
具体实施方式
为能清楚说明本发明的技术方案，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行阐述。
如图1所示，基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，包括：用于连接外部光纤线3的光纤接口4，用于以太网帧传输的以太网芯片5，用于存储FPGA6配置文件和参数值的配置芯片9，用于加载配置芯片9中配置文件的不同镜像实现不同的逻辑功能的FPGA6，所述光纤接口4、以太网芯片5、FPGA6、配置芯片9依次顺序连接，外部光纤线3经光纤收发器2连接至安装有升级软件的上位机1。
FPGA6用于加载配置芯片9中配置文件的不同镜像实现不同的逻辑功能；FPGA6型号须具备多重镜像加载功能，能将多个程序镜像加载在一个FPGA配置文件中，根据需要实现不同程序的加载，因此可以选择Xilinx公司的Spartan系列。FPGA6与配置芯片9之间设有用于连接配置芯片9引脚与FPGA6配置IO引脚实现FPGA6的程序加载的第一复用SPI总线7，以及用于连接配置芯片9引脚与FPGA6普通IO引脚实现FPGA6上电后对配置芯片9读写的第二复用SPI总线8。
如图2所示，根据需要将配置芯片9的存储区域划分为启动区、升级区、应用区和参数区，分别用来存储启动镜像、FPGA6升级镜像、FPGA6应用镜像和相关参数值。
如图3所示，启动镜像为开启FPGA6多重镜像加载功能的16进制代码，启动镜像从配置芯片9的起始地址开始存储，启动镜像中保存有下一个镜像的加载地址。启动镜像在FPGA6配置过程中会首先被加载，起始位是前导码，然后是同步码，紧接着为相关寄存器的命令赋值、加载地址，启动镜像执行完之后会自动载入该地址对应的程序镜像，执行码表示启动镜像执行完毕。
FPGA6升级镜像能使FPGA6与上位机1的升级软件进行以太网通信交互。如图4所示，FPGA6升级镜像加载时，FPGA6处于程序在线升级状态，它的功能结构包括以太网芯片5的接口控制器、以太网帧解析模块、命令处理模块、数据处理模块和SPI控制器。
FPGA6应用镜像用于存储所有应用功能的程序，同时也包括FPGA6与上位机软件通信交互的程序。如图5所示，FPGA6应用镜像加载时，FPGA6处于正常运行状态，它的功能包括以太网芯片5的接口控制器、以太网帧解析模块、命令处理模块和SPI控制器，以及装置的应用程序。
参数值包括当前应用镜像的修改时间、版本信息、校验值。
此外，应根据配置芯片9的容量对配置文件进行压缩处理。
基于光纤通信的FPGA程序在线升级方法，如图6所示，包括以下步骤：
S1：使用ISE Design Suite编译生成FPGA底层配置文件；
该配置文件包括启动镜像和FPGA升级镜像。打开Xilinx的ISE Design Suite软件的Creat PROM File界面，将启动镜像和FPGA升级镜像两个bit文件依次添加进来，可生成包含两个镜像的mcs文件，即底层配置文件。
S2、使用ISE Design Suite写入FPGA底层配置文件；
ISE Design Suite通过JTAG接口和FPGA下载器电缆，将FPGA底层配置文件下载到配置芯片中。
S3：重启装置电源，FPGA首先自动加载启动镜像，紧接着加载升级镜像程序。
S4：使用ISE Design Suite编译生成FPGA应用镜像；配置芯片中写入底层配置之后，每次FPGA程序在线升级从S4开始执行即可。
S5：上位机升级软件控制与FPGA通过命令交互和数据传输完成FPGA程序在线升级；
S5-1：上位机升级软件载入FPGA应用镜像，将FPGA应用镜像转化为以太网帧的形式；
S5-2：上位机升级软件建立与FPGA的通信连接；
S5-3：上位机升级软件通过FPGA读取配置芯片参数区中程序的版本信息，若当前的版本信息与要更新的版本信息一致说明当前运行程序为最新版本无需更新，操作结束；若否，执行S5-4；
S5-4：上位机升级软件通过FPGA修改启动镜像的加载地址使FPGA加载升级镜像；
S5-5：上位机升级软件通过FPGA擦除配置芯片应用区存储空间和参数区版本信息；
S5-6：上位机升级软件与FPGA发起数据传输操作，FPGA将接收到的以太网帧一帧一帧解析并写入到配置芯片中，并回读配置芯片中的数据检查是否正确；如果传输过程中出现校验失败或者光纤断链则终止传输，从S5-5重新操作；如果传输过程中出现装置断电，重启之后FPGA首先加载启动镜像，然后运行升级镜像，并从S5-2重新操作，因此不会造成FPGA无法工作的情况；
S5-7：上位机升级软件通过FPGA将当前FPGA版本信息写入到参数区，并修改启动镜像加载地址，使FPGA加载应用镜像；S6：FPGA程序在线升级完成。
Claims (8)
1.基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，包括：用于连接外部光纤的光纤接口，用于以太网帧传输的以太网芯片，用于存储FPGA配置文件和参数值的配置芯片，用于加载配置芯片中配置文件的不同镜像实现不同的逻辑功能的FPGA，所述光纤接口、以太网芯片、FPGA、配置芯片依次顺序连接，外部光纤经光纤收发器连接至安装有上位机升级软件的上位机。
2.根据权利要求1所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，所述配置芯片的存储区域划分为启动区、升级区、应用区和参数区，分别用来存储FPGA配置文件和参数值，FPGA配置文件包括启动镜像、FPGA升级镜像、FPGA应用镜像三部分。
3.根据权利要求2所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，所述启动镜像为开启FPGA多重镜像加载功能的16进制代码，启动镜像从配置芯片的起始地址开始存储，启动镜像中保存有下一个镜像的加载地址；所述FPGA升级镜像能使FPGA与上位机升级软件进行以太网通信交互；所述FPGA应用镜像用于存储所有应用功能的程序，同时也包括FPGA与上位机软件通信交互的程序。
4.根据权利要求1所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，所述参数值包括当前应用镜像的修改时间、版本信息、校验值。
5.根据权利要求1所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，所述的FPGA与配置芯片之间设有用于连接配置芯片引脚与FPGA配置IO引脚实现FPGA的程序加载的第一复用SPI总线以及用于连接配置芯片引脚与FPGA普通IO引脚实现FPGA上电后对配置芯片读写的第二复用SPI总线。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，其特征在于，所述的FPGA包括以太网芯片控制器、以太网帧解析模块、命令处理模块、数据处理模块和SPI控制器。
7.根据权利要求1所述基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置进行在线升级的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、使用ISE Design Suite编译生成FPGA底层配置文件；
所述的FPGA底层配置文件包括启动镜像和FPGA升级镜像；
步骤2、使用ISE Design Suite写入FPGA底层配置文件；
ISE Design Suite通过JTAG接口和FPGA下载器电缆，将FPGA底层配置文件下载到配置芯片中；
步骤3：重启装置电源，FPGA首先自动加载启动镜像，紧接着加载升级镜像程序；
步骤4：使用ISE Design Suite编译生成FPGA应用镜像；
步骤5：上位机升级软件控制与FPGA通过命令交互和数据传输完成FPGA程序在线升级；
步骤5-1：上位机升级软件载入FPGA应用镜像，将FPGA应用镜像转化为以太网帧的形式；
步骤5-2：上位机升级软件建立与FPGA的通信连接；
步骤5-3：上位机升级软件通过FPGA读取配置芯片参数区中程序的版本信息，若当前的版本信息与要更新的版本信息一致说明当前运行程序为最新版本无需更新，操作结束；若否，执行步骤5-4；
步骤5-4：上位机升级软件通过FPGA修改启动镜像的加载地址使FPGA加载升级镜像；
步骤5-5：上位机升级软件通过FPGA擦除配置芯片应用区存储空间和参数区版本信息；
步骤5-6：上位机升级软件与FPGA发起数据传输操作，FPGA将接收到的以太网帧一帧一帧解析并写入到配置芯片中，并回读配置芯片中的数据检查是否正确；如果传输过程中出现校验失败或者光纤断链则终止传输，从步骤5-5重新操作；如果传输过程中出现装置断电，重启之后FPGA首先加载启动镜像，然后运行升级镜像，并从步骤5-2重新操作；
步骤5-7：上位机升级软件通过FPGA将当前FPGA版本信息写入到参数区，并修改启动镜像加载地址，使FPGA加载应用镜像；FPGA程序在线升级完成。
8.根据权利要求7所述的基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置的方法，其特征在于，配置芯片中写入底层配置之后，每次FPGA程序在线升级从步骤4开始执行。
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