CN108037943B - 一种基于nios ii的fpga在线升级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及FPGA芯片领域，公开了一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，使FPGA在线在AS配置模式下无需借助外部控制器芯片即可对FPGA进行重配置。本发明FPGA内部嵌入NIOS II处理器的IP核作为控制器，并集成外部串口、网口；系统上电或复位时，NIOS II处理器启动定时器，关闭看门狗程序，若在限定的时间内NIOS II处理器没有从串口或网口接收到数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件据，进入用户模式；若接收到数据，且接收到的数据为升级数据，则将升级数据写入配置FLASH芯片，升级数据接收、写入完毕后启动看门狗程序，触发系统复位，完成FPGA的在线升级。本发明适用于FPGA配置。

Description

一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法
技术领域
本发明涉及FPGA芯片领域，特别涉及一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法。
背景技术
FPGA具有灵活可编程的特点，可作为专用卫星导航芯片原型设计的开发平台。基于SRAM 工艺的FPGA在掉电后配置数据会丢失，需要增加一个外部配置FLASH芯片用于保存FPGA配置数据，比如EPCS64，EPCQ256等。上电后，需从配置FLASH芯片读取配置数据流并加载到 FPGA，FPGA才能正常运行。
现有常用的FPGA配置方式有：主动串行模式(AS)和被动串行模式(PS)，AS模式下FPGA 提供配置时钟信号DCLK，PS模式下其它器件向FPGA提供配置时钟信号DCLK。AS配置模式框图1所示。
AS模式下首次启动需通过FPGA的JTAG口将FPGA配置文件烧录到配置flash芯片中，烧录完毕后断电。下次上电时FPGA主动从配置flash芯片中读到配置数据，完成启动。PS配置模式框图如图2所示。
PS模式下首次启动需通过控制器的JTAG将FPGA配置文件烧录到flash芯片中，后续可通过控制器的串口、网口等外部接口对flash芯片进行烧录，更新FPGA配置文件，烧录完毕后断电。下次上电时控制器从flash芯片中读取FPGA配置数据，并按照一定的时序发送给 FPGA，FPGA接收完毕后完成启动。
现有AS配置模式每次FPGA升级时都需要连接FPGA的JTAG口，而将FPGA集成到整个系统中后，系统对外接口通常不会预留JTAG口，升级时需进行拆卸，费时费力。现有PS配置模式可通过串口、网口等系统对外接口对FPGA进行重配置，解决了AS模式下升级不方便的问题。但目前FPGA期间密度越来越大，配置数据也越来越大，达几十兆甚至上百兆比特，需要多片flash芯片才能存储这些配置数据，造成复杂性增加和额外的硬件成本，例如FLASH芯片和控制器芯片成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，使FPGA在线在AS配置模式下无需借助外部控制器芯片即可对FPGA进行重配置。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，包括如下步骤：
FPGA内部嵌入NIOS II处理器的IP核作为控制器，并集成串口、网口；系统上电或复位时，NIOS II处理器启动定时器，关闭看门狗程序，若在限定的时间内NIOS II处理器没有从串口或网口接收到数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件据，进入用户模式；若接收到数据，且接收到的数据为升级数据，则将升级数据写入配置FLASH芯片，升级数据接收、写入完毕后启动看门狗程序，触发系统复位，完成FPGA的在线升级。
进一步的，还包括：将配置FLASH芯片分为至少4个区域，4个区域分别为区域1、区域 2、区域3以及区域4，区域1用于存储FPGA二级启动程序的配置文件，区域2用于存储FPGA配置文件1，区域3用于存储1FPGA配置文件2，区域4用于存储用户数据。
进一步的，所述FPGA二级启动程序为工厂模式程序。
进一步的，系统上电或复位时，若在限定的时间内NIOS II处理器没有从串口或网口接收到数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件1，进入用户模式1；若接收到数据，且接收到的数据为切换用户模式的指令数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件2，进入用户模式2。
本发明的有益效果是：本发明采用AS配置模式，但结合了PS配置模式的优点，在单片 FPGA内部嵌入NIOS II处理器IP核作为控制器，并集成串口、网口等外设，无需借助外部控制器芯片即可对FPGA进行重配置。NIOS II开发环境集成了配置flash芯片的驱动，避免了PS模式下flash驱动程序开发的麻烦，同时在本发明的配置模式下，配置flash芯片即可存储FPGA配置文件，也可存储用户数据，充分利用了flash的存储空间。
附图说明
图1为AS配置模式框图。
图2为AS配置模式框图。
图3为实施例中FPGA和配置FLASH芯片的连接框图。
图4为实施例中FPGA在线升级方法的流程图。
图5为实施例的结构功能框图。
图中编号：1-4分别为配置FLASH芯片的四个存储区域。
具体实施方式
实施例提供一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，实施例FPGA内部嵌入NIOS II处理器的IP核作为控制器，并集成串口、网口等外设；FPGA采用二级loader的形式启动、升级，如图3所示，FPGA将配置FLASH芯片分为四个存储区域，四个存储区域分别为区域1、 2、3以及4。区域1存储FPGA二级loader程序(工厂模式程序)的配置文件，区域2存储 FPGA配置文件1，区域3存储FPGA配置文件2，区域4存储用户数据。FPGA在线升级的步骤如图4所示：系统上电或复位时，NIOS II处理器启动定时器，关闭看门狗程序；若在限定的时间内NIOS II处理器没有从串口或网口接收到数据，则从配置FLASH芯片的区域2读取 FPGA配置文件1，进入用户模式1；若接收到数据，且接收到的数据为切换用户模式的指令数据，则从配置FLASH芯片的区域3读取FPGA配置文件2，进入用户模式2；若接收到数据，且接收到的数据为升级数据，则将升级数据写入区域2或者区域3，升级数据接收、写入完毕后启动看门狗程序，触发系统复位，完成FPGA的在线升级。
工厂模式程序(loader程序)和用户模式程序(app应用程序)可分开设计，用户模式程序根据应用场合会有所不同，但工厂模式可以通用，方便移植。FPGA工厂模式主要功能是在线升级FPGA应用程序、引导应用程序启动。这些功能主要靠QUANTUS II集成开发环境自带的 FLASH控制器IP和REMOTE_UPDATE IP来实现，建立loader程序的QUARTUS II工程时，配置模式需选为”Remote”。
工厂模式程序在一片FPGA上集成了NIOS II CPU及其外设，功能框图5所示。上电或系统复位时，NIOS II CPU启动定时器TIMER0，关闭看门狗TIMER1。若在限定的时间内NIOS II CPU没有从串口UART模块或网口ETHERNET模块接收到数据，则通过REMOTE-UPDATE模块触发FPGA从配置FLASH芯片读取配置数据，进入用户模式；若接收到升级数据，则通过FLASH 控制器模块将升级数据写入配置FLASH芯片，接收完毕后启动看门狗TIMER1，触发系统复位，重新从工厂模式引导到用户模式，完成FPGA的在线升级。
在具体操作时，为达到上述方法，我可以按照以下方式进行设计：
1.在FPGA开发环境中建立工厂模式工程，编译后生成sof文件，转换为JIC下载文件。
2.通过FPGA的JTAG口将JIC文件烧录到配置FLASH中，烧录完成后掉电。
3.在FPGA开发环境中建立用户模式工程，编译后生成sof文件，转换为RPD配置文件。
4.串口定时发送升级命令到FPGA，系统上电，FPGA进入工厂模式。
5.通过超级终端发送RPD配置文件到FPGA，发送完成后系统自动重启，完成升级。
以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，其特征在于，包括步骤：FPGA内部嵌入NIOSII处理器的IP核作为控制器，并集成串口、网口；将配置FLASH芯片分为至少4个区域，4个区域分别为区域1、区域2、区域3以及区域4，区域1用于存储FPGA二级启动程序的配置文件，区域2用于存储FPGA配置文件1，区域3用于存储FPGA配置文件2，区域4用于存储用户数据；
系统上电或复位时，NIOS II处理器启动定时器，关闭看门狗程序，若在限定的时间内NIOS II处理器没有从串口或网口接收到数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件1，进入用户模式1；若接收到数据，且接收到的数据为切换用户模式的指令数据，则从配置FLASH芯片读取FPGA配置文件2，进入用户模式2；若接收到数据，且接收到的数据为升级数据，则将升级数据写入区域2或者区域3，升级数据接收、写入完毕后启动看门狗程序，触发系统复位，完成FPGA的在线升级。
2.如权利要求1所述的一种基于NIOS II的FPGA在线升级方法，其特征在于，所述FPGA二级启动程序为工厂模式程序。
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