CN111414182B - 一种基于spi的fpga远程升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SPI的FPGA远程升级方法，包括上位机、MCU模块和FPGA模块，FPGA模块内部集成SPI存储模块，上位机与MCU模块连接，MCU模块与SPI存储模块连接，SPI存储模块与FPGA模块连接。FPGA模块升级程序时，SPI存储模块切换到升级模式，SPI存储模块通过FPGA模块内部Avalon接口对CFM配置内存区进行读写擦除操作，最终将需要升级的程序写入到CFM配置内存区中。本发明提供的基于SPI的FPGA远程升级方案，该方法操作简单，不需要专用的下载器和专用软件，在不改变现有产品原本设计的前提下，很好地解决了免产品拆装便能对其中FPGA的配置文件及逻辑功能进行更新升级的问题。

Description

一种基于SPI的FPGA远程升级方法

技术领域

本发明属于FPGA软件配置升级技术领域，具体涉及一种基于SPI的FPGA远程升级方法。

背景技术

为响应国家绿色环保的号召，清洁能源、绿色出行成为社会主流趋势。随着新能源电动汽车的发展，电机控制器的更新迭代也不断加快，其功能越来越丰富，对电路的控制逻辑需求也逐渐增大。如此，FPGA由于其灵活的逻辑可重复编程性，在不改变硬件的基础上可轻松优化其逻辑代码、改善功能，在电机控制器上的得到青睐。

通常，在电机控制器使用过程中不可避免地需要对FPGA软件配置进行升级、优化。在完成FPGA设计后，需要将贴装FPGA芯片的电路板装进产品进行集成测试，根据测试结果，改善FPGA代码，优化FPGA功能；另外，在产品装车试运行时，也极有可能需要对FPGA功能进行调整优化。目前，一般可以通过以下三种技术方案实现FPGA的升级功能。

方案一：传统的JTAG下载口下载。该方法是利用专用的下载器通过JTAG下载口对其配置文件进行烧录更新，从而实现内部逻辑的重配置。

方案二：将JTAG下载口引出到控制器外部。此方法在方案一的基础上进行改进，同样是利用传统JTAG下载口，通过线束将JTAG接口引出。

方案三：CPU模拟JTAG接口协议的升级方法。此方法是在主控芯片CPU的主程序里添加模拟JTAG协议的功能代码，再分配I/O口分别与FPGA的JTAG口连接，从而达到类似JTAG下载的效果。首先，操作人员利用CPU的上位机软件将FPGA的新配置文件通过CAN通信线束发送到主控芯片CPU的RAM区，然后CPU调用模拟JTAG功能模块，将收到的配置文件发送到FPGA芯片的配置文件存放区ROM，完成配置文件的更新，然后启动重配置最终完成FPGA的整个升级过程。

但是上述三种技术方案存在如下缺点。

方案一：此方法最为通用，基本上所有的FPGA出厂时便具备此功能，但是对于此产品需求确实最不可行。此方案有以下两个缺点：一、对于一个即将交付客户的产品，如果重新拆开更新其FPGA的配置文件，必然增加拆装工作量；同时，结构工艺也不允许随意拆盖而破坏产品的气密性等；二：通过JTAG下载口还需要专业技术人员通过专用的下载器和专用软件，这种要求无论在实验室测试还是在市场有批量产品软件升级时都很难满足。

方案二：虽然这种方法解决了方案一中的第一个缺点，不再需要拆装，但是此方法的缺点也很明显：一：需要重新布局电路板的走线，变更了产品设计，增大了设计人员的工作量；二：增加了接插件的使用，同时需要多根线束将接口引到汽车中一个方便下载的地方，增加了不必要的生产成本；三：同方案一的问题，对人员和设备要求较高。

方案三：相对前两种方法，该方法几乎避免了JTAG方法的种种问题，充分利用了系统的CPU、CPU上位机、CAN通信线束等已有资源，硬件设计上的变动很小，不过仍然存在以下两个缺点：一、硬件设计变动虽小，但是仍然需要占用CPU四个或以上I/O口与FPGA的JTAG口连接，使CPU的可用I/O口资源更加紧张；二：同样需要改动电路板布线，增加工作量；三：对于一个产品开发，CPU要实现的功能本来就非常复杂吗，再将模拟JTAG的功能添加进来，无疑将增大CPU的软件工作量。

发明内容

针对上述技术方案中存在的各种缺点，本发明的目的是提供一种基于SPI的FPGA远程升级方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于SPI的FPGA远程升级方法，包括MCU模块和FPGA模块，还包括上位机，所述上位机与MCU模块连接，所述FPGA模块内部集成SPI存储模块，MCU模块与SPI存储模块连接，SPI存储模块与FPGA模块连接，所述FPGA模块内部包括CFM配置内存区和UFM用户内存区；所述FPGA模块升级程序时，SPI存储模块切换到升级模式，SPI存储模块通过FPGA模块内部Avalon接口对CFM配置内存区进行读写擦除操作，最终将需要升级的程序写入到CFM配置内存区中。

所述基于SPI的FPGA远程升级方法，包括以下步骤：

步骤一：SPI存储模块处于工作模式，当SPI存储模块接收到MCU模块发送的升级指令后，从工作模式切换到升级模式；

步骤二：SPI存储模块切换到升级模式后，SPI存储模块接收来自MCU模块的各种指令；

步骤三：SPI存储模块通过Avalon接口擦除CFM配置内存区中的旧数据；

步骤四：SPI存储模块通过Avalon接口将需要升级的新数据写入到CFM配置内存区中；

步骤五：SPI存储模块再将刚写入CFM配置内存区中的新数据读出发送给MCU模块进行校验，校验正确后，执行步骤六，校验失败后，重新执行步骤三；

步骤六：依次执行步骤四和步骤五，直到需要升级的程序全部写入到CFM配置内存区中；

步骤七：启动重配置完成升级。

所述SPI存储模块通过Avalon接口对CFM配置内存区进行读写包括以下操作过程：

1）写入控制字：通过avmm_csr_write、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于写入控制，设置CFM配置内存区是否允许擦除和写入，此时address=1；

2）读状态：通过avmm_csr_read、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于读取擦除和读写状态，进而判断CFM配置内存区是否擦除或者读写完成，此时address=0；

3）写数据：通过avmm_data_write、avmm_data_writedata、avmm_data_waitrequest、avmm_data_bustcount、avmm_data_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于向CFM配置内存区写入数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时写入下一个数据，同时地址加1；达到指定长度后，写请求write信号置0，写数据过程结束；

4）读数据：通过avmm_data_read、avmm_data_readdata、avmm_data_readdatavalid、avmm_data_addr、avmm_data_bustcount、avmm_data_waitrequest用于从CFM配置内存区读出数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时地址加1；数据准备好即readdatavalid上升沿到来时读取数据；读取数据个数达到指定长度后，读请求read信号置0，读数据过程结束。

所述Avalon接口中avmm_csr类接口为UFM用户内存区控制读写用，avmm_date类接口为数据读写用。

所述需要升级的程序以.rpd二进制文件格式写入到CFM配置内存区中。

根所述MCU模块与SPI储存模块通过SPI总线进行每单元16bit的数据传输，SPI存储模块与CFM配置内存区通过Avalon接口进行每单元32bit的数据传输。

所述上位机通过CAN总线与MCU模块连接，MCU模块通过SPI总线与SPI存储模块连接。

本发明的有益效果为：本发明提供的基于SPI的FPGA远程升级方法无需改动硬件，对已量产的产品，不会产生巨大的变更成本；无需占用MCU额外的I/O口资源，为MCU预留出更大的功能空间；不会增加同MCU为模拟JTAG协议而增加的较大开发工作量；该升级方法特别适用于即将量产的五合一电机控制器上；该升级方法不改变原有产品设计，操作简单快捷，升级方便快速，对其他已有成熟功能的电机控制器的影响尽可能小，而且稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的整体方案示意图。

图2是本发明的升级流程示意图。

图3是本发明的操作指令过程示意图。

图4是本发明Avalon接口原理图。

具体实施方式

如图1～4所示，一种基于SPI的FPGA远程升级方法，包括上位机、MCU模块和FPGA模块，所述FPGA模块内部集成SPI存储模块，所述上位机通过CAN总线与MCU模块连接，MCU模块通过SPI总线与SPI存储模块连接，SPI存储模块与FPGA模块连接，所述FPGA模块内部包括CFM配置内存区和UFM用户内存区；CFM配置内存区和UFM用户内存区组成FPGA的片上Flash即Onchip_Flash。使用时，在MCU模控中内嵌一小段启动加载程序Bootloader，使得MCU模控具备利用Bootloader和上位机以及CAN总线升级的功能。FPGA模块和MCU模块一起作为五合一电机控制器系统的重要组成部分，共同控制着整个系统的稳定运行。

所述FPGA模块升级程序时，SPI存储模块切换到升级模式，SPI存储模块通过FPGA模块内部Avalon接口（Avalon_MM）对CFM配置内存区进行读写擦除操作，最终将需要升级的程序写入到CFM配置内存区中。在FPGA模块升级程序，SPI存储模块切换到升级模式后，FPGA模块运行RAM使得内部Avalon接口将SPI存储模块中的数据写入到Onchip_Flash。

上述FPGA模块中的SPI存储模块负责数据处理和存储，具体有两以下个作用，一个作用是与MCU模块进行数据通信，用于后续的控制算法，仅起到传输数据的作用，这是工作模式；另一个作用就是通过对接收的数据判断是否进行升级模式，如果进入升级模式，其通信数据便用于升级，此时工作模式是停止工作的。

上述SPI存储模块正常工作时，MCU模块通过SPI总线和SPI存储模块给FPGA模块发送一些控制指令等，同时FPGA模块会通过SPI存储模块和SPI总线反馈系统运行状态和异常时的故障信息。

在上述建立好的升级整体方案中，如图1所示，MCU模块的Bootloader将FPGA模块视为一片可读写的外部Flash芯片，依次通过上位机（Bootloader上位机软件）、MCU模块（Bootloader）、FPGA模块中的SPI存储模块（SPI Controller）和Avalon接口（Avalon_MM）对FPGA内部的CFM配置内存区和UFM用户内存区进行读写操作，主要是对CFM配置内存区。如此，FPGA模块的升级程序以.rpd二进制文件格式被写进CFM配置内存区，启动重配置完成FPGA模块的升级功能。

在FPGA模块的升级过程中，具体参数设置如下。

时钟：MCU模块给SPI储存模块提供20MHz时钟，SPI储存模块通过内置锁相环PLL产生一个5MHz时钟作为Onchip_Flash IP核的工作时钟。MCU模块与SPI储存模块之间的SPI总线时钟为5MHz，可以由MCU模块中的Bootloader设置。

通信：MCU模块与SPI储存模块通过SPI总线进行每单元16bit的数据传输，SPI存储模块与CFM配置内存区通过Avalon接口进行每单元32bit的数据传输。

进一步的，所述基于SPI的FPGA远程升级方法，包括以下步骤。

步骤一：SPI存储模块处于工作模式，当SPI存储模块接收到MCU模块发送的升级指令后，从工作模式切换到升级模式。

步骤二：SPI存储模块切换到升级模式后，SPI存储模块接收来自MCU模块的各种指令。

步骤三：SPI存储模块通过Avalon接口擦除CFM配置内存区中的旧数据。

步骤四：SPI存储模块通过Avalon接口将需要升级的新数据写入到CFM配置内存区中。

步骤五：SPI存储模块再将刚写入CFM配置内存区中的新数据读出发送给MCU模块进行校验，校验正确后，执行步骤六，校验失败后，重新执行步骤三。

步骤六：依次执行步骤四和步骤五，直到需要升级的程序全部写入到CFM配置内存区中。

步骤七：启动重配置完成升级。

具体的，FPGA模块远程升级方法流程如图2所示，首先，SPI存储模块是处于工作模式，当SPI存储模块接收到MCU模块发送的升级指令后，从工作模式切换到升级模式，在SPI存储模块的程序中通过Mode标志位判断，Mode=0为工作模式，Mode=1为升级模式。当Mode=1时，执行升级模式分支，MCU模块通过SPI存储模块对FPGA模块中的CFM配置内存区和UFM用户内存区进行数据读写操作，工作模式停止运行。升级模式与工作模式仅仅共用了SPI存储模块的接收和发送单元，两个模式不会同时进行，各自互不影响。图2中的Flash特指CFM配置内存区。

进入升级模式后，FPGA模块通过SPI存储模块和SPI总线接收来自MCU模块的各种指令，再利用Avalon接口对CFM配置内存区进行读写擦除等操作。整个升级程序被分成很多帧数据循环写入或读出，对于每一帧数据，整体操作流程可以分成以下三大步。

1）擦除CFM配置内存区中的旧数据。

2）将需要升级的新数据写入到CFM配置内存区中。

3）再将刚写入CFM配置内存区中的新数据读出发送给MCU模块进行校验，验证升级程序的正确性，从而保证升级程序被完整无误的写入到FPGA模块的CFM配置内存区。

上述的每一大步其中又包含了很多小的指令操作，如图3所示，图3中的Flash特指CFM配置内存区，其中每一小步是通过识别MCU模块发送给SPI存储模块每一帧数据的帧头来判断相应的操作指令。指令长度为16bit，格式为：0x01FF、0x02FF……0x08FF共8个指令，每个指令的详细功能如下。

1）0x01FF:擦写使能，SPI存储模块解除CFM配置内存区的擦写保护。

2) 0x02FF:擦写禁止，SPI存储模块禁止CFM配置内存区擦写，保护CFM配置内存区数据，避免数据被更改。

3) 0x03FF:读状态，SPI存储模块读取数据是否读写完毕，以供MCU模块采取下一步动作。

4）0x04FF:擦除，SPI存储模块擦除CFM配置内存区内旧数据。

5) 0x05FF:发送写地址和长度，SPI存储模块根据此指令定位到即将将写入数据的地址。

6) 0x06FF：写数据，SPI存储模块收到此指令后，将接下来收到的数据按要求的地址写入CFM配置内存区。

7) 0x07FF:发送读地址和长度，SPI存储模块根据此指令定位到即将读出数据的地址。

8) 0x08FF:读数据，SPI存储模块收到此指令后，将CFM配置内存区中符合要求的地址的数据读出。

进一步的，在SPI存储模块接收到MCU模块的各个指令后，其内部是通过内存管理Avalon接口完成对Onchip_Flash的控制和读写操作，如图4所示，其中avmm_csr类接口为UFM用户内存区控制读写用，avmm_date类接口为数据读写用。其中clock为CFM配置内存区的工作时钟频率，芯片最大支持7.25MHz，本升级系统中使用5MHz；reset_n为复位引脚。

所述SPI存储模块通过Avalon接口对CFM配置内存区进行读写包括以下操作过程。

1）写入控制字：通过avmm_csr_write、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于写入控制，设置CFM配置内存区是否允许擦除和写入，此时address=1。

2）读状态：通过avmm_csr_read、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于读取擦除和读写状态，进而判断CFM配置内存区是否擦除或者读写完成，此时address=0。

3）写数据：通过avmm_data_write、avmm_data_writedata、avmm_data_waitrequest、avmm_data_bustcount、avmm_data_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于向CFM配置内存区写入数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时写入下一个数据，同时地址加1；达到指定长度后，写请求write信号置0，写数据过程结束。

4）读数据：通过avmm_data_read、avmm_data_readdata、avmm_data_readdatavalid、avmm_data_addr、avmm_data_bustcount、avmm_data_waitrequest用于从CFM配置内存区读出数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时地址加1；数据准备好即readdatavalid上升沿到来时读取数据；读取数据个数达到指定长度后，读请求read信号置0，读数据过程结束。

本发明的技术方案已在实验室和实车环境中应用，并得以验证，使用简单，升级方便快速，一般升级时间仅为19秒左右，并且稳定可靠，升级过程中无升级失败的情况。

本发明提供的基于SPI的FPGA远程升级方案，该方法操作简单，不需要专用的下载器和专用软件，在不改变现有产品原本设计的前提下，很好地解决了免产品拆装便能对其中FPGA的配置文件及逻辑功能进行更新升级的问题。

以上所述，仅是本发明的优选实施方式，并不是对本发明技术方案的限定，应当指出，本领域的技术人员，在本发明技术方案的前提下，还可以作出进一步的改进和改变，这些改进和改变都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于SPI的FPGA远程升级方法，包括MCU模块和FPGA模块，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与MCU模块连接，所述FPGA模块内部集成SPI存储模块，MCU模块与SPI存储模块连接，SPI存储模块与FPGA模块连接，所述FPGA模块内部包括CFM配置内存区和UFM用户内存区；所述FPGA模块升级程序时，SPI存储模块切换到升级模式，SPI存储模块通过FPGA模块内部Avalon接口对CFM配置内存区进行读写擦除操作，最终将需要升级的程序写入到CFM配置内存区中；

所述基于SPI的FPGA远程升级方法，包括以下步骤：

步骤一：SPI存储模块处于工作模式，当SPI存储模块接收到MCU模块发送的升级指令后，从工作模式切换到升级模式；

步骤二：SPI存储模块切换到升级模式后，SPI存储模块接收来自MCU模块的各种指令；

步骤三：SPI存储模块通过Avalon接口擦除CFM配置内存区中的旧数据；

步骤四：SPI存储模块通过Avalon接口将需要升级的新数据写入到CFM配置内存区中；

步骤五：SPI存储模块再将刚写入CFM配置内存区中的新数据读出发送给MCU模块进行校验，校验正确后，执行步骤六，校验失败后，重新执行步骤三；

步骤六：依次执行步骤四和步骤五，直到需要升级的程序全部写入到CFM配置内存区中；

步骤七：启动重配置完成升级；

所述SPI存储模块通过Avalon接口对CFM配置内存区进行读写包括以下操作过程：

1）写入控制字：通过avmm_csr_write、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于写入控制，设置CFM配置内存区是否允许擦除和写入，此时address=1；

2）读状态：通过avmm_csr_read、avmm_csr_writedata、avmm_csr_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于读取擦除和读写状态，进而判断CFM配置内存区是否擦除或者读写完成，此时address=0；

3）写数据：通过avmm_data_write、avmm_data_writedata、avmm_data_waitrequest、avmm_data_bustcount、avmm_data_addr，同时结合收到的MCU模块的指令用于向CFM配置内存区写入数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时写入下一个数据，同时地址加1；达到指定长度后，写请求write信号置0，写数据过程结束；

4）读数据：通过avmm_data_read、avmm_data_readdata、avmm_data_readdatavalid、avmm_data_addr、avmm_data_bustcount、avmm_data_waitrequest用于从CFM配置内存区读出数据，此处bustcount设为1；waitrequest下降沿到来时地址加1；数据准备好即readdatavalid上升沿到来时读取数据；读取数据个数达到指定长度后，读请求read信号置0，读数据过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于SPI的FPGA远程升级方法，其特征在于，所述Avalon接口中avmm_csr类接口为UFM用户内存区控制读写用，avmm_date类接口为数据读写用。

3.根据权利要求1所述的基于SPI的FPGA远程升级方法，其特征在于，所述需要升级的程序以.rpd二进制文件格式写入到CFM配置内存区中。

4.根据权利要求1所述的基于SPI的FPGA远程升级方法，其特征在于，所述MCU模块与SPI储存模块通过SPI总线进行每单元16bit的数据传输，SPI存储模块与CFM配置内存区通过Avalon接口进行每单元32bit的数据传输。

5.根据权利要求1所述的基于SPI的FPGA远程升级方法，其特征在于，所述上位机通过CAN总线与MCU模块连接，MCU模块通过SPI总线与SPI存储模块连接。