CN112148341A - 一种基于NiosII软核的FPGA在线升级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NiosII软核的FPGA在线升级方法，其步骤是，1、FPGA上运行NiosII软核，用于响应在线升级指令，并读写存储器；2、在存储器中存储两组镜像，启动镜像和工作镜像，3、FPGA上电后载入启动镜像，然后尝试切换到工作镜像，若切换失败则回到启动镜像；两组镜像都能在线升级。本发明能实现方便、稳定的FPGA在线升级功能，并在升级过程中发生意外时，能保证设备能够启动，并重新升级，另外本发明无需增加其他硬件模块，从而降低了成本和设备尺寸限制。

Description

一种基于NiosII软核的FPGA在线升级方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体的说是一种基于Nios II软核的FPGA在线升级方法，并应用产品为使用Intel FPGA并带有外部通信接口的设备。
背景技术
在工业领域经常使用FPGA(现场可编程门阵列)来实现数据采集、数据处理、数据传输等功能。FPGA通用的固件升级方法是通过FPGA下载器连接JTAG接口来完成的，但是设备通常不会将JTAG接口曝露在外。在一些不方便拆机的情况下，无法通过JTAG接口升级FPGA固件。
FPGA在线升级目前已有多种方案。一种方案是基于MCU和模拟开关，通过MCU控制模拟开关，将FPGA的配置FLASH与MCU引脚相连，实现了通过MCU读写FPGA的配置FLASH。然后再通过串口、USB等外部接口，将FPGA固件发送到MCU，并写入FPGA配置FLASH。另一种方案是使用Intel FPGA并制作两个镜像，一个是启动镜像，集成了嵌入式软核处理器Nios II，用于在线升级，另一个是正常工作镜像。FPGA启动时在Nios II中等待升级指令，若有升级指令，则进入升级状态，通过Intel FPGA的FLASH控制器IP核更新FPGA固件，若等待超时，则加载正常工作镜像。
上述方案中，通过MCU实现FPGA固件升级缺点是增加了硬件成本和电路板尺寸。
第二种方案只能在单独的在线升级程序中更新FPGA固件，限制了在线升级的灵活性，设备启动时需要等待在线更新指令超时，增加了设备启动时间。在FPGA固件更新的过程中，若发生传输错误、中途突然掉电等情况，可能导致设备固件损坏无法启动。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于Nios II软核的FPGA在线升级方法，以期能实现方便、稳定的FPGA在线升级功能，并在升级过程中发生意外时，能保证设备能够启动，并重新升级。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于Nios II软核的FPGA在线升级方法的特点是应用于由计算机，通信接口，FPGA和FLASH存储器所组成的装置中，并包括如下步骤：
步骤一、FPGA上电初始化，载入FLASH存储器中的FPGA启动镜像；
步骤二、所述FPGA启动镜像尝试载入FLASH存储器中的FPGA工作镜像，若载入成功，则执行步骤三至步骤五，若载入失败，则使能Nios II软核载入Nios II启动镜像，并等待接收指令，执行步骤四和步骤五；
步骤三、所述FPGA工作镜像使能Nios II软核，并利用看门狗定时器开始计时，Nios II软核载入Nios II工作镜像，若载入成功，则向FPGA发送信号，使得看门狗定时器停止计时，并等待接收指令；
若载入失败，则触发看门狗定时器的超时事件，使得FPGA重新回到所述FPGA启动镜像，并使能Nios II软核，载入Nios II工作镜像，等待接收指令；
步骤四、计算机通过所述通信接口向FPGA发送升级指令和升级数据，所述Nios II软核响应升级指令，并将所述升级数据写入到FLASH存储器中的对应位置；
步骤五、所述Nios II软核控制FPGA重新启动。
本发明所述的基于Nios II软核的FPGA在线升级方法的特点也在于：所述FLASH存储器中存储区域包括：FPGA启动镜像、Nios II启动镜像、FPGA工作镜像、Nios II工作镜像；
所述存储区域是根据FPGA配置文件大小以及Nios II软核的镜像大小定义的固定位置；
令所述FPGA启动镜像存储区域的起始地址为FLASH存储器的零地址。
所述升级指令包括：升级数据类型、升级数据长度和升级数据结束命令；
所述升级数据类型包括：FPGA工作镜像、Nios II工作镜像。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过从设备通信接口实现了FPGA固件升级而解决了在一些不方便拆机的情况下，无法通过JTAG接口连接到FPGA的问题。
2、本发明的关键点是双镜像设计以及启动流程，包括设备首先载入FPGA启动镜像，然后切换到FPGA工作镜像，以及判断FPGA工作镜像和Nios II工作镜像是否成功启动。
3、本发明设计了双镜像结构，两组镜像都支持固件更新。与现有技术中的第二种方案相比，设备启动时不需要等待更新指令，降低了启动延迟，而且用户可以随时随地更新固件，还可方便地批量更新固件，不需要重新启动设备以进入更新状态。
4、本发明通过对FPGA工作镜像和Nios II工作镜像启动状态的判断，避免了设备无法启动的问题。更新固件只能对FPGA工作镜像和Nios II工作镜像区域进行读写，确保了FPGA启动镜像和Nios II启动镜像保持完好，并在设备启动失败后自动回到FPGA启动镜像。
5、本发明可以在现有设备上实现，无需增加其他硬件模块，从而降低了成本和设备尺寸限制。
附图说明
图1为本发明方法适用的系统硬件框图；
图2为本发明FLASH存储内容图；
图3为本发明FPGA启动流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施示例对本发明进行详细描述，不能理解为对本发明的限制。
本实施例中，一种基于Nios II的FPGA在线升级的方法，是应用于由计算机，通信接口，FPGA和FLASH存储器所组成的装置中，并包括如下步骤：
步骤一、FPGA上电初始化，载入FLASH存储器中的FPGA启动镜像；
步骤二、FPGA启动镜像尝试载入FLASH存储器中的FPGA工作镜像，若载入成功，则继续执行步骤三至步骤五，若载入失败，则使能Nios II软核载入Nios II启动镜像，并等待接收指令，执行步骤四和步骤五；
步骤三、FPGA工作镜像使能Nios II软核，并通过看门狗定时器开始计时，Nios II软核载入Nios II工作镜像，若载入成功，则向FPGA发送信号，停止看门狗定时器，并等待接收指令；
若载入失败，则触发看门狗定时器的超时事件，FPGA重新回到FPGA启动镜像，并使能Nios II软核，载入Nios II工作镜像，等待接收指令；
步骤四、计算机通过通信接口向FPGA发送升级指令和升级数据，Nios II软核响应升级指令，将升级数据写入到FLASH存储器中的对应位置；其中，升级指令包括：升级数据类型、升级数据长度和升级结束命令；升级数据类型包括：FPGA工作镜像、Nios II工作镜像；
步骤五、Nios II软核控制FPGA重新启动，载入FLASH存储器中的启动镜像。
FLASH存储器中存储区域包括：FPGA启动镜像、Nios II启动镜像、FPGA工作镜像、Nios II工作镜像、用户数据，各个存储区域是根据FPGA配置文件大小和Nios II软核的镜像大小定义的固定位置，其中，FPGA启动镜像存储区域的起始地址为FLASH存储器的零地址。
实施例：如图1所示，设备采用Intel FPGA，连接了FLASH存储器芯片用于FPGA配置，外部提供了通信接口，用于发送命令和数据传输，实施例中采用串口作为通信接口。
作为一个实施例，在FPGA上实现了Nios II片上系统，包括Nios II软核处理器、片上存储器、UART串口模块、EPCQController模块，其中，EPCQController模块用于读写FLASH存储器。另外FPGA上还添加了RemoteUpdate模块，用于控制FPGA载入FLASH存储器中的其他镜像，以及获取镜像载入状态。
如图2所示，存储器中存储了两组镜像，每组镜像包含一个FPGA固件和一个NiosII固件，其中一、三两个固件为启动镜像，分别称为FPGA启动镜像和Nios II启动镜像，二、四两个固件为工作镜像，分别称为FPGA工作镜像和Nios II工作镜像。实施例使用的FPGA镜像文件大小约为1MB，Nios II固件大小约为100KB，设计FLASH存储器空间给每个FPGA镜像2.5MB，Nios II固件镜像192KB，剩余空间用于存储用户数据。
FPGA启动流程如图3所示，分为如下步骤：
1、FPGA上电自动载入FPGA启动镜像。
3、判断RemoteUpdate模块状态，如果状态正常，则载入到FPGA工作镜像，如果状态错误，则载入Nios II启动镜像。
4、若载入FPGA工作镜像成功，则继续载入Nios II工作镜像，若载入FPGA工作镜像失败，则回到FPGA启动镜像。
5、若Nios II工作镜像启动失败，则回到FPGA启动镜像，若成功，则设备正常运行。
启动镜像和工作镜像都有同样的在线更新功能，在线更新功能只能用于更新FPGA工作镜像或Nios II工作镜像，FPGA启动镜像和Nios II启动镜像是在出厂时通过内部JTAG接口写入。在线更新具体流程如下：
1、计算机通过串口发送在线升级命令，指定升级FPGA工作镜像或Nios II工作镜像。
2、计算机通过串口发送升级数据，Nios II将升级数据写入对应镜像存储区域。
3、计算机通过串口发送升级结束命令，FPGA切换到FPGA启动镜像，然后载入新的FPGA工作镜像。
本发明与通信接口的类型无关，对于USB、以太网等接口，同样适用于本发明，只要在FPGA中实现对应数据收发功能，并接入到Nios II片上总线即可。

Claims (3)

1.一种基于Nios II软核的FPGA在线升级方法，其特征是应用于由计算机，通信接口，FPGA和FLASH存储器所组成的装置中，并包括如下步骤：
步骤一、FPGA上电初始化，载入FLASH存储器中的FPGA启动镜像；
步骤二、所述FPGA启动镜像尝试载入FLASH存储器中的FPGA工作镜像，若载入成功，则执行步骤三至步骤五，若载入失败，则使能Nios II软核载入Nios II启动镜像，并等待接收指令，执行步骤四和步骤五；
步骤三、所述FPGA工作镜像使能Nios II软核，并利用看门狗定时器开始计时，Nios II软核载入Nios II工作镜像，若载入成功，则向FPGA发送信号，使得看门狗定时器停止计时，并等待接收指令；
若载入失败，则触发看门狗定时器的超时事件，使得FPGA重新回到所述FPGA启动镜像，并使能Nios II软核，载入Nios II工作镜像，等待接收指令；
步骤四、计算机通过所述通信接口向FPGA发送升级指令和升级数据，所述Nios II软核响应升级指令，并将所述升级数据写入到FLASH存储器中的对应位置；
步骤五、所述Nios II软核控制FPGA重新启动。
2.根据权利要求1所述的基于Nios II软核的FPGA在线升级方法，其特征在于：所述FLASH存储器中存储区域包括：FPGA启动镜像、Nios II启动镜像、FPGA工作镜像、Nios II工作镜像；
所述存储区域是根据FPGA配置文件大小以及Nios II软核的镜像大小定义的固定位置；
令所述FPGA启动镜像存储区域的起始地址为FLASH存储器的零地址。
3.根据权利要求1所述的基于Nios II软核的FPGA在线升级方法，其特征在于：所述升级指令包括：升级数据类型、升级数据长度和升级数据结束命令；
所述升级数据类型包括：FPGA工作镜像、Nios II工作镜像。
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