CN106933632A - 基于以太网的fpga功能在线升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于以太网的FPGA功能在线升级方法，所述方法可应用于以FPGA作为主芯片且具有以太网接口板卡的功能升级。整个功能系统包括上位机部分和下位机部分，上位机中实现的功能主要有烧写文件的读取、分片、组以太包及发送，下位机中实现的功能主要有对flash的擦除及读写、以太包的解析、向上位机反馈升级的进度。使用该方法可以通过以太网接口直接对FPGA板卡进行远程在线升级，避免了因拆卸装置带来的不必要的麻烦及风险，提高了设备升级的便捷性及易维护性，降低了升级的成本。

Description

基于以太网的FPGA功能在线升级方法

技术领域

本发明涉及以太网数据通信技术领域，尤其是一种基于以太网的FPGA功能在线升级方法。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，各个行业对数字系统的精度、速度和集成度提出了更高的要求。现场可编程门阵列FPGA具有高实时性、高集成度、高可靠性及低成本、高灵活性及低功耗等优点。因此，FPGA很好的适应了现在数字系统发展的要求，越来越多的数字系统都将其作为主控芯片来进行设计。

通常FPGA板卡功能的升级是借助于烧写器来完成的，一般情况下，FPGA板卡被封装在机器的内部，这就对功能的升级带来了很大的不便。另外，如果是非专业人员来完成这件事的话，还需要了解烧写流程。所谓在线升级，就是在线将配置文件写入FPGA的配置flash中去，等下一次重新上电的时候就完成了升级。以太网接口是一种传输速度快、可靠性高的常见接口，现在几乎是任何硬件板卡的标配。再加之上位机软件的配合，完成FPGA板卡的功能升级就会变的方便快捷、操作简单。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于以太网的FPGA功能在线升级方法，提高了FPGA板卡功能升级的便捷性、可靠性，提高了板卡的可维护性，降低了升级的成本。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于以太网的FPGA功能在线升级方法，实现上位机与下位机之间的包括上位机发送给下位机的指令数据和配置数据，及下位机发送给上位机的响应数据，包括以下步骤：

(1)、上位机读取FPGA的配置文件，向FPGA发送对flash初始化的命令，FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA收到对flash初始化指令帧后，FPGA对flash进行初始化，上位机查询是否收到FPGA对flash初始化完成之后向上位机反馈初始化成功的响应帧，收到响应帧，转到步骤(2)，没有收到响应帧，重复步骤(1)；

(2)、上位机收到FPGA对flash初始化成功的响应帧之后，将烧写文件按照固定长度分片、编号、组包，通过以太网接口发给FPGA；

(3)、FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA收到数据帧且校验通过之后，将数据解析出来写到flash中，并回复对应编号的响应帧，通知上位机该数据帧中的数据是否被成功写入flash中，数据没有成功写入flash，上位机重发数据帧；数据成功写入flash，判断该数据帧是否为最后一个数据帧，如果是最后一个数据帧，转到步骤(4)，如果不是最后一个数据帧，重复步骤(3)；

(4)、FPGA收到最后一个数据帧并且成功写入flash之后，回复配置完成的响应帧，上位机提示用户重启设备完成升级；

(5)、FPGA再次上电后解析模块读取新配置数据的控制字，判断控制字是否有效，如有效，读取新配置数据的起始地址信息且加载新配置数据；否则，加载旧配置数据。

进一步地，步骤(1)中，FPGA对flash的初始化操作包括以下步骤：

(11)、FPGA收到flash初始化命令之后，将0x00000000～0x0000FFFD区域擦除，使加载新配置数据的控制字置为无效；

(12)、擦除存放FPGA新配置数据的区域0x00100000～0x001FFFFE；

(13)、FPGA向上位机返回初始化完成的响应帧；

(14)、FPGA收到新配置数据之后向新配置数据区域(0x00100000～0x001FFFFE)写入新的配置数据；

(15)、校验写入的新配置数据是否正确；

(16)、新配置数据校验正确之后，向0x0000FFFE地址下写入0x000000BB，使加载新配置数据的控制字置为有效；

(17)、FPGA向上位机反馈升级完成的响应帧，并提示用户重启设备。

进一步地，步骤(2)中，将烧写文件按照固定长度进行分片、编号、组包的详细操作如下：

(21)、上位机将烧写文件按照1KB进行分片，不足1KB的用0xFF来补齐；

(22)、上位机将分片完毕的数据包按照存储地址由低到高的顺序依次编号并组帧；

(23)、上位机判断收到的当前数据帧的响应帧是否正确，判断结果为正确，则组下一个编号的数据帧，否则，重发当前数据帧直到校验正确；

(24)、当上位机发送完最后一个数据帧且收到升级结果的状态帧之后，将结果提示给用户。

进一步地，FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析包括以下步骤：

(a)、FPGA的解析模块收到以太网数据之后首先判断数据类型，如果是用于FPGA升级的报文则继续解析，否则丢弃该帧；

(b)、判断子类型区分是初始化指令帧还是数据帧，如果是初始化指令帧，则对flash进行初始化操作；如果是数据帧，在校验正确的情况下，将解析出来的数据送给flash操作模块；

(c)、flash操作模块根据数据的编号将数据写入flash的相应地址下；

(d)、FPGA的解析模块实时判断当前帧中的内容结束标志，如果该标志有效，则等到该帧中的数据完全写入flash之后，向上位机回复升级结果的状态帧。

进一步地，步骤(3)中，FPGA对数据进行校验的详细过程如下所示：

(31)、FPGA的解析模块在数据解析的同时将该数据帧中的每一个字节发送给FPGA的CRC生成模块，计算该数据帧中数据的CRC校验值；

(32)、将生成的CRC校验值与该数据帧中的CRC校验值作比较，查看是否相等，如果相等，则该帧数据有效；否则丢弃该帧并向上位机返回数据响应帧。

本发明的有益效果是，

本发明提供的基于以太网的FPGA功能在线升级方法，该方法可以通过以太网接口直接对FPGA板卡进行远程在线升级，避免了因拆卸装置带来的不必要的麻烦及风险，提高了设备升级的便捷性及易维护性，降低了升级的成本。

附图说明

图1是基于以太网的FPGA功能在线升级示意图；

图2是本发明升级流程图；

图3是FPGA上电之后加载配置数据的流程图。

具体实施方式

硬件选型介绍：上位机是以瑞芯微公司的RK3288作为CPU的安卓平板，下位机是以Xilinx公司的xc7k160t为主控芯片的板卡，flash选择的是镁光科技的PC28F00AP30TF。如图1至图3所示，基于以太网的FPGA功能在线升级方法，包括以下步骤：

(1)、将FPGA开发环境编译得到的配置文件拷贝到移动存储设备的指定目录下；上位机读取FPGA的配置文件，向FPGA发送对flash初始化的命令，FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA收到对flash初始化指令帧后，FPGA对flash进行初始化，上位机查询是否收到FPGA对flash初始化完成之后向上位机反馈初始化成功的响应帧，收到响应帧，转到步骤(2)，没有收到响应帧，重复步骤(1)。FPGA对数据进行解析的详细过程如下所示：

(a)解析模块收到以太网数据之后首先判断数据类型，如果是用于FPGA升级的报文则继续解析，否则丢弃该帧。

(b)判断子类型区分是初始化指令帧还是数据帧。如果是初始化指令帧则对flash进行初始化操作；如果是数据帧在校验正确的情况下，将解析出来的数据送给flash操作模块。

(c)flash操作模块根据数据的编号将数据写入flash的相应地址下。

(d)解析模块实时判断当前帧中的内容结束标志。如果该标志有效，则等到该帧中的数据完全写入flash之后，向上位机回复升级结果的状态帧。

配置数据在flash中的存放位置如表1所所示：

表1

在收到上位机的指令和新的配置数据之后，FPGA对flash的操作步骤如下：

(11)FPGA收到flash初始化命令之后，将0x00000000～0x0000FFFD区域擦除，使加载新配置数据的控制字置为无效。

(12)擦除存放FPGA新配置数据的区域0x00100000～0x001FFFFE。

(13)FPGA向上位机返回初始化完成的响应帧。

(14)FPGA收到新配置数据之后向新配置数据区域(0x00100000～0x001FFFFE)写入新的配置数据。

(15)校验写入的新配置数据是否正确。

(16)新配置数据校验正确之后，向0x0000FFFE地址下写入0x000000BB，使加载新配置数据的控制字置为有效。

(17)FPGA向上位机反馈升级完成的响应帧，并提示用户重启设备。

(2)、上位机收到FPGA对flash初始化成功的响应帧之后，将烧写文件按照固定长度分片、编号、组包，通过以太网接口发给FPGA。对烧写文件按照固定长度进行分片、编号、组包的详细操作如下：

(21)上位机将烧写文件按照1KB进行分片，不足1KB的用0xFF来补齐；

(22)上位机将分片完毕的数据包按照存储地址由低到高的顺序依次编号并组帧，组帧的格式如表2所示。

字段名称	长度(字节)	说明
			目的地址	6	xxxxxxxxxxxx(hex)
源地址	6	xxxxxxxxxxxx(hex)
			类型	2	0x88ee
子类型	1	0x02数据
			内容结束标志	1	0：还有报文，1：传送完成
发送报文序号	2	发送报文序号，从1开始
			报文内容	1024	升级bit流内容，固定1024字节，不足1024则补0xff
Crc校验码	4	用帧中所有数据生成的CRC校验码

表2

(23)上位机判断收到的当前数据帧的响应帧。判断结果为正确，则组下一个编号的数据帧，否则，重发当前数据帧直到校验正确，数据响应帧的格式如表3所示。

字段名称	长度(字节)	说明
			目的地址	6	xxxxxxxxxxxx(hex)
源地址	6	xxxxxxxxxxxx(hex)
			类型	2	0x88ee
子类型	1	0x82
			接收到报文序号	2	接收到的报文序号
接收内容状态	1	0x00正确，0x01crc校验错误
			期望报文序号	2	期望的报文序号，如果是最后一帧则值为0xffff
Crc校验码	4	用帧中所有数据生成的CRC校验码

表3

(24)当上位机发送完最后一个数据帧且收到升级结果的状态帧之后，将结果提示给用户。升级结果的状态帧格式如表4所示。

表4

(3)、FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA对数据进行解析校验的详细过程如下所示：

(31)FPGA解析模块在数据解析的同时将帧中的每一个字节送给CRC生成模块，计算帧中数据的CRC校验值。

(32)将生成的CRC校验值与帧中的CRC校验值作比较。相等，则该帧数据有效；否则丢弃该帧并向上位机返回数据响应帧。

FPGA收到数据帧且校验通过之后，将数据解析出来写到flash中，并回复对应编号的响应帧，通知上位机该数据帧中的数据是否被成功写入flash中，数据没有成功写入flash，上位机重发数据帧；数据成功写入flash，判断该数据帧是否为最后一个数据帧，如果是最后一个数据帧，转到步骤(4)，如果不是最后一个数据帧，重复步骤(3)；

(4)、FPGA收到最后一个数据帧并且成功写入flash之后，回复配置完成的响应帧，上位机提示用户重启设备完成升级；

(5)、设备重新上电之后，FPGA加载新配置数据的步骤如下：

(51)FPGA读地址0x0000FFFE下的数据，判断新配置的数据是否有效。

(52)如果新配置数据有效，FPGA就去读取新配置数据的起始地址等信息，再去加载新配置区域中的数据。

(53)如果新配置数据无效，FPGA直接加载配置数据1的数据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.基于以太网的FPGA功能在线升级方法，其特征在于，实现上位机与下位机之间的包括上位机发送给下位机的指令数据和配置数据，及下位机发送给上位机的响应数据，包括以下步骤：

(1)、上位机读取FPGA的配置文件，向FPGA发送对flash初始化的命令，FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA收到对flash初始化指令帧后，FPGA对flash进行初始化，上位机查询是否收到FPGA对flash初始化完成之后向上位机反馈初始化成功的响应帧，收到响应帧，转到步骤(2)，没有收到响应帧，重复步骤(1)；

(2)、上位机收到FPGA对flash初始化成功的响应帧之后，将烧写文件按照固定长度分片、编号、组包，通过以太网接口发给FPGA；

(3)、FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析，FPGA收到数据帧且校验通过之后，将数据解析出来写到flash中，并回复对应编号的响应帧，通知上位机该数据帧中的数据是否被成功写入flash中，数据没有成功写入flash，上位机重发数据帧；数据成功写入flash，判断该数据帧是否为最后一个数据帧，如果是最后一个数据帧，转到步骤(4)，如果不是最后一个数据帧，重复步骤(3)；

(4)、FPGA收到最后一个数据帧并且成功写入flash之后，回复配置完成的响应帧，上位机提示用户重启设备完成升级；

(5)、FPGA再次上电后解析模块读取新配置数据的控制字，判断控制字是否有效，如有效，读取新配置数据的起始地址信息且加载新配置数据；否则，加载旧配置数据。

2.如权利要求1所述的基于以太网的FPGA功能在线升级方法，其特征在于，步骤(1)中，FPGA对flash的初始化操作包括以下步骤：

(11)、FPGA收到flash初始化命令之后，将0x00000000～0x0000FFFD区域擦除，使加载新配置数据的控制字置为无效；

(12)、擦除存放FPGA新配置数据的区域0x00100000～0x001FFFFE；

(13)、FPGA向上位机返回初始化完成的响应帧；

(14)、FPGA收到新配置数据之后向新配置数据区域(0x00100000～0x001FFFFE)写入新的配置数据；

(15)、校验写入的新配置数据是否正确；

(16)、新配置数据校验正确之后，向0x0000FFFE地址下写入0x000000BB，使加载新配置数据的控制字置为有效；

(17)、FPGA向上位机反馈升级完成的响应帧，并提示用户重启设备。

3.如权利要求1所述的基于以太网的FPGA功能在线升级方法，其特征在于，步骤(2)中，将烧写文件按照固定长度进行分片、编号、组包的详细操作如下：

(21)、上位机将烧写文件按照1KB进行分片，不足1KB的用0xFF来补齐；

(22)、上位机将分片完毕的数据包按照存储地址由低到高的顺序依次编号并组帧；

(23)、上位机判断收到的当前数据帧的响应帧是否正确，判断结果为正确，则组下一个编号的数据帧，否则，重发当前数据帧直到校验正确；

(24)、当上位机发送完最后一个数据帧且收到升级结果的状态帧之后，将结果提示给用户。

4.如权利要求1所述的基于以太网的FPGA功能在线升级方法，其特征在于，FPGA的解析模块对接收的以太网数据进行解析包括以下步骤：

(a)、FPGA的解析模块收到以太网数据之后首先判断数据类型，如果是用于FPGA升级的报文则继续解析，否则丢弃该帧；

(b)、判断子类型区分是初始化指令帧还是数据帧，如果是初始化指令帧，则对flash进行初始化操作；如果是数据帧，在校验正确的情况下，将解析出来的数据送给flash操作模块；

(c)、flash操作模块根据数据的编号将数据写入flash的相应地址下；

(d)、FPGA的解析模块实时判断当前帧中的内容结束标志，如果该标志有效，则等到该帧中的数据完全写入flash之后，向上位机回复升级结果的状态帧。

5.如权利要求1所述的基于以太网的FPGA功能在线升级方法，其特征在于，步骤(3)中，FPGA对数据进行校验的详细过程如下所示：

(31)、FPGA的解析模块在数据解析的同时将该数据帧中的每一个字节发送给FPGA的CRC生成模块，计算该数据帧中数据的CRC校验值；

(32)、将生成的CRC校验值与该数据帧中的CRC校验值作比较，查看是否相等，如果相等，则该帧数据有效；否则丢弃该帧并向上位机返回数据响应帧。