CN109656593B - 基于zynq芯片实现fpga程序远程升级的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，涉及到的主要器件有zynq、FPGA、QSPI存储芯片、EMMC存储芯片、DDR3内存芯片。当程序需要升级时，PC与ZYNQ通过以太网连接，把程序从PC端传输到ZYNQ外配的EMMC存储芯片中进行存储，每次设备上电时，ZYNQ的PS中的应用程序把EMMC存储芯片中的FPGA程序搬移到ZYNQ的PL部分，PL中编写了SelectMap的传输逻辑，可以把程序从PL部分通过SelectMap方法传输给FPGA供其启动。从EMMC存储芯片到PL中的数据搬移是完成物理地址到虚拟地址的映射后在ZYNQ外配的DDR3中实现的。本方法可以实现设备的远程升级。

Description

基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法
技术领域
本发明涉及一种基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，适用于FPGA进行高速数据处理，ZYNQ作为主控情况下，对FPGA进行远程程序更新及正常启动配置。
背景技术
随着技术的发展，需要对设备的原有程序进行更新升级来增加新的功能或者修复bug。FPGA器件通常有3种程序下载方式：JTAG方式，主动配置方式，被动配置方式。JTAG通常用于调试。主动配置方式为FPGA每次上电时作为控制器，由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程，向存储器件主动读取数据。这种配置方式需要占用FPGA内部资源实现配置逻辑，就会挤占实现数据处理的资源；并且需要单独的外置存储器，就会占用更多的PCB空间。更新程序需要专用的烧写器与器件直连，不利于设备的高效维护。
被动配置方式则是通过控制器控制，把FPGA当做存储器，把数据写入FPGA中。控制器件可以是通常的ARM架构的处理器，如stm32，也可以使用异构处理器，如ZYNQ。使用纯ARM处理器，如果不想占用FPGA资源，则需要把传输配置逻辑全部在处理器的应用层程序中完成，该方法虽然也可实现远程升级，但是完全的应用层传输效率较低。
发明内容
鉴于现有技术的状况及存在的不足，本发明提供了一种被动配置方式，即基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，用C++语言描述的基于异构ZYNQ芯片的SelectMap方法实现FPGA程序的远程升级。
本发明为实现上述目的，所采用的技术手段是：一种基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，其特征在于，本方法利用Xilinx ZYNQ主控芯片作为运行平台，外围芯片包括Xilinx FPGA、QSPI存储芯片、EMMC存储芯片，DDR3内存芯片；QSPI存储芯片中存储启动文件，包括uboot、设备树和uImage，EMMC存储芯片中设有linux操作系统，ZYNQ与FPGA通过SelectMap连接，ZYNQ与上位机通过以太网连接；当需要更新FPGA程序时，上位机把程序文件通过网络通信的方式传给ZYNQ并替换掉原来存储在EMMC存储芯片中的旧版本FPGA程序，在每次设备上电时，ZYNQ芯片PS中的应用程序把EMMC存储芯片中的FPGA程序搬移到ZYNQ的PL部分，PL中编写了SelectMap的传输逻辑，可以把程序从PL部分的数据通过SelectMap方法传输给FPGA供其启动，这样便实现了FPGA的远程升级；
SelectMap的控制线和数据线都与ZYNQ的GPIO相连，在ZYNQ的PL部分定义多个标志寄存器及控制寄存器，并通过编程实现SelectMap的传输过程；定义的寄存器有数据长度寄存器，PS与PL的握手状态寄存器，存储升级芯片的标识寄存器，状态重置寄存器；SelectMap的传输过程为program_b拉低再拉高，等待init_b的上升沿，然后先拉低rdwr_b，再拉低csi_b，然后cclk和数据匹配发送，具体的数据发送过程是由ps和pl交互完成的，ps每次从EMMC存储芯片中读取500个32bit的寄存器，发送给pl，待pl配置完成后ps再读下一次，直至配置完成；
ZYNQ芯片PS中嵌入式程序设计思路为将PL中定义的多个寄存器的物理地址映射到虚拟内存，将EMMC存储芯片中存储的程序文件映射到虚拟内存，通过多种标志及控制寄存器实现数据流的控制；文件传输实际是首先将映射后的文件数据赋值到PL映射后的数据传输寄存器中，然后通过PL中的SelectMap逻辑实现数据从PL中传输到FPGA中；从EMMC存储芯片到PL中的数据搬移是完成物理地址到虚拟地址的映射后在ZYNQ外配的DDR3中实现的。
本发明的有益效果是：ZYNQ芯片的PS部分使用基于linux操作系统，使用C++语言进行程序控制，PL部分实现SelectMap的传输逻辑，通过内存映射的方法进行PS到PL的数据搬移。
本发明不需要专用的烧写工具，省去一个外置的存储器件，节省了成本及PCB空间，节省了FPGA资源，不需要与设备直接接触，只要设备在网络环境中便可以对其进行更新升级。
附图说明
图1为本发明的电路连接框图；
图2为本发明ZYNQ的PS中SelectMap控制流程图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，本方法利用Xilinx ZYNQ主控芯片作为运行平台，外配的存储芯片有QSPI存储芯片和EMMC存储芯片，QSPI存储芯片中存储uboot和设备树等启动文件，EMMC存储芯片中为linux操作系统，ZYNQ与FPGA通过SelectMap连接，ZYNQ与上位机通过网线连接。
当需要更新FPGA程序时，上位机把程序文件传给ZYNQ并存储在EMMC存储芯片中，ZYNQ通过程序控制在每次设备上电时把FPGA程序文件从EMMC存储芯片中读取并通过SelectMap方式传递给FPGA，这样便实现了对FPGA程序的远程升级。
SelectMap的控制线和数据线都与ZYNQ的GPIO相连，在ZYNQ的PL部分定义多个标志寄存器及控制寄存器，并通过编程实现SelectMap的传输过程。定义的寄存器有数据长度寄存器，PS与PL的握手状态寄存器，确定何时可以向PL发送数据，存储升级芯片的标识寄存器，状态重置寄存器等。SelectMap的传输过程为program_b拉低再拉高，等待init_b的上升沿，然后先拉低rdwr_b，再拉低csi_b，然后cclk和数据匹配发送，具体的数据发送过程是由ps和pl交互完成的，ps每次从EMMC存储芯片中读取500个32bit的寄存器，发送给pl，待pl配置完成后ps再读下一次，直至配置完成。
ZYNQ的PS中嵌入式程序设计思路为将PL中定义的多个寄存器的物理地址映射到虚拟内存，将EMMC存储芯片中存储的程序文件映射到虚拟内存，通过多种标志及控制寄存器实现数据流的控制。文件传输实际是首先将映射后的文件数据赋值到PL映射后的数据传输寄存器中，然后通过PL中的SelectMap逻辑实现数据从PL中传输到FPGA中。

Claims (1)

1.一种基于ZYNQ芯片实现FPGA程序远程升级的方法，其特征在于，本方法利用XilinxZYNQ主控芯片作为运行平台，外围芯片包括Xilinx FPGA、QSPI存储芯片、EMMC存储芯片，DDR3内存芯片；QSPI存储芯片中存储启动文件，包括uboot、设备树和uImage，EMMC存储芯片中设有linux操作系统，ZYNQ与FPGA通过SelectMap连接，ZYNQ与上位机通过以太网连接；当需要更新FPGA程序时，上位机把程序文件通过网络通信的方式传给ZYNQ并替换掉原来存储在EMMC存储芯片中的旧版本FPGA程序，在每次设备上电时，ZYNQ芯片PS中的应用程序把EMMC存储芯片中的FPGA程序搬移到ZYNQ的PL部分，PL中编写了SelectMap的传输逻辑，可以把程序从PL部分的数据通过SelectMap方法传输给FPGA供其启动，这样便实现了FPGA的远程升级；
SelectMap的控制线和数据线都与ZYNQ的GPIO相连，在ZYNQ的PL部分定义多个标志寄存器及控制寄存器，并通过编程实现SelectMap的传输过程；定义的寄存器有数据长度寄存器，PS与PL的握手状态寄存器，存储升级芯片的标识寄存器，状态重置寄存器；SelectMap的传输过程为program_b拉低再拉高，等待init_b的上升沿，然后先拉低rdwr_b，再拉低csi_b，然后cclk和数据匹配发送，具体的数据发送过程是由PS和PL交互完成的，PS每次从EMMC存储芯片中读取500个32bit的寄存器，发送给PL，待PL配置完成后PS再读下一次，直至配置完成；
ZYNQ芯片PS中嵌入式程序设计思路为将PL中定义的多个寄存器的物理地址映射到虚拟内存，将EMMC存储芯片中存储的程序文件映射到虚拟内存，通过多种标志及控制寄存器实现数据流的控制；文件传输实际是首先将映射后的文件数据赋值到PL映射后的数据传输寄存器中，然后通过PL中的SelectMap逻辑实现数据从PL中传输到FPGA中；从EMMC存储芯片到PL中的数据搬移是完成物理地址到虚拟地址的映射后在ZYNQ外配的DDR3中实现的。
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