CN115934139A - 一种fpga在线升级方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于FPGA升级方法技术领域，具体涉及一种FPGA在线升级方法及系统。所述方法包括：安装有升级软件的上位机发送擦除指令，由FPGA对配置芯片的升级区进行擦除，保留配置芯片备份区数据；上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA；升级文件全部写入配置芯片升级区后，FPGA从配置芯片的升级区加载程序并执行，完成FPGA在线升级。本发明在配置芯片中预先写入了两套程序文件，对配置芯片升级区进行擦除、升级，保留配置芯片备份区数据，FPGA优先从升级区加载程序，升级失败时从备份区加载，不会导致FPGA无法工作，解决了FPGA在线升级更新失败，FPGA无法工作的问题。
Description
技术领域
本发明属于FPGA升级方法技术领域，具体涉及一种FPGA在线升级方法及系统。
背景技术
随着我国智能配电技术的发展，越来越多的配电自动化终端产品使用了FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）。FPGA需要从配置芯片中加载用户预先编译好的程序文件才能正常工作，对FPGA的程序升级，就是对配置芯片内存储的程序文件进行修改，使其能够按照新的程序文件执行。
传统的FPGA程序升级方式包括离线升级和在线升级两种：
离线升级需要借助专用的FPGA烧写器和软件，通过JTAG（Joint Test ActionGroup，联合测试工作组）接口将程序文件写入配置芯片中，此方法虽然方便，但是对于产品的现场升级却不是特别友好。JTAG接口通常是为研发和生产使用，不会作为产品的外部接口，需要升级时要拆解设备。另外，现场服务人员需要对专用的烧写器和软件有一定的了解，否则无法完成操作。
在线升级目前多借助于控制器实现，比如MCU（Micro Control Unit，微控制单元）、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）等，通过专用的程序升级端口将FPGA的程序升级文件发送给控制器，再由控制器通过二选一选择器写入配置芯片中。但此方案增加了电路设计的复杂度和产品的成本，而且一旦更新失败，将导致FPGA无法工作。
基于此，急需一种新的FPGA在线程序升级方法，不需要拆装设备，也不需要使用专门的烧写工具和软件，同样不需要借助控制器，即可实现FPGA程序的在线升级。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提出了一种FPGA在线升级方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种FPGA在线升级方法，包括以下步骤：
安装有升级软件的上位机发送擦除指令，由配电终端的FPGA对配电终端配置芯片的升级区进行擦除，保留配置芯片备份区数据；擦除指令全部发送完毕后，安装有升级软件的上位机发送读指令，验证已擦除的空间是否擦除成功，若未擦除成功，继续擦除；
若擦除成功，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧升级数据，直至所有的数据发送完毕，FPGA执行完成后返回确认指令给上位机；
升级文件全部写入配置芯片升级区后，对配电终端断电重启；重启后，FPGA从配置芯片的升级区加载程序并执行，完成FPGA在线升级。
进一步地，若FPGA在线升级失败，从配置芯片备份区加载数据。
进一步地，上位机向FPGA发送擦除指令之前，还包括：安装有升级软件的上位机识别升级文件大小，计算需要擦除的配置芯片的空间大小。
进一步地，所述升级文件为.bin格式的文件。
进一步地，安装有升级软件的上位机发送擦除指令后，FPGA对上位机擦除指令进行判断：如果上位机指令合法，将执行上位机指令内容，并返回执行结果；如果上位机指令不合法，则不执行且不返回执行结果。
进一步地，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA后，还包括FPGA对上位机的升级文件进行判断：如果升级文件合法，将执行升级文件内容，并返回执行结果；如果升级文件不合法，则不执行且不返回执行结果。
进一步地，安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA具体包括：安装有升级软件的上位机将升级文件拆分为一帧一帧的数据，每帧数据包含的数据不超过256字节；安装有升级软件的上位机逐帧发送升级数据，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧数据，直至所有的数据发送完毕。
进一步地，将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA之后还包括：FPGA对安装有升级软件的上位机发送的升级数据进行解析，解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为通讯指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果。
第二方面，本发明还提供了一种FPGA在线升级系统，包括：安装有升级软件的上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片；所述上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片依次通讯连接；
安装有升级软件的上位机用于发起程序升级流程，并将升级文件分解，分解后的升级数据通过串口通讯线缆发送给配电终端的串行通讯接口模块；
串行通讯接口模块用于将安装有升级软件的上位机发送的文件转换为TTL（Transistor Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电平）信号；
FPGA模块用于根据安装有升级软件的上位机发送的擦除指令对配置芯片的升级区进行擦除；用于解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为非程序升级指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果，实现正常的串口通讯功能；
配置芯片为FPGA程序的存储媒介，用于每次上电时FPGA从配置芯片中加载程序并执行；配置芯片内的数据区域分为升级区和备份区；升级区存储升级程序，FPGA优先从该区域加载，备份区存储备份程序，升级失败时从该区域加载。
进一步地，所述系统还包括专用下载器、JTAG接口模块、USB线缆、JTAG线缆，所述专用下载器用于出厂时以Dual Boot（双启动）模式写入FPGA程序，所述专用下载器通过USB线缆与上位机连接，所述JTAG接口模块一端通过JTAG线缆与所述专用下载器连接，另一端通过JTAG接口与FPGA模块通讯连接。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
（1）本发明不需要借助控制器，降低设计难度和成本；且本发明采用DUAL BOOT（双启动）模式，出场时在配置芯片中预先写入了两套程序文件，对配置芯片升级区进行擦除、升级，保留配置芯片备份区数据，FPGA优先从升级区加载程序，升级失败时从备份区加载，避免FPGA在线升级更新失败，FPGA无法工作的情况出现；
（2）本发明保留专用下载器及USB线缆、JTAG线缆等传统的离线式下载模式，则本发明同时兼容了串口和JTAG两种模式，支持在线升级的同时又不影响生产和调试使用；
（3）根据配电终端产品有相关的设计要求，配电终端产品会在面板、接口、端子等位置预留串行通讯接口，本发明通过对指令的解析，可以区分是升级指令还是通讯指令，这样可在不影响原有功能的条件下借助这些接口实现程序升级功能，且不需要使用专门的烧写工具和软件，也不需要拆装设备，方便现场服务人员操作，不需要增加额外的专门用于程序升级的物理接口，借助产品现有的物理接口就能实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的FPGA程序升级流程图；
图2为本发明的系统结构示意图；
图3为本发明的 FPGA内部的模块划分示意图。
在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：
1、上位机；2、串口通讯线缆；3、串口通讯接口模块；4、TTL接口；5、FPGA模块；6、SPI总线；7、配置芯片；8、USB线缆；9、专用下载器；10、JTAG线缆；11、JTAG接口模块；12、JTAG接口；13、电源；22、串口通讯模块；22-1、Uart驱动模块；22-2、接收数据缓冲区；22-3、发送数据缓冲区；23、程序数据缓冲区；24、Flash读写模块；24-1、SPI驱动模块；25、通讯数据缓冲区；26、通讯数据处理模块。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的技术方案的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
参照图1，在本发明的一个实施例中，提供了一种FPGA在线升级方法，包括以下步骤：安装有升级软件的上位机发送擦除指令，由配电终端的FPGA对配电终端的配置芯片的升级区进行擦除，保留配置芯片备份区数据；擦除指令全部发送完毕后，安装有升级软件的上位机发送读指令，验证已擦除的空间是否擦除成功，若未擦除成功，继续擦除；
若擦除成功，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧升级数据，直至所有的数据发送完毕，FPGA执行完成后返回确认指令给上位机；升级文件全部写入配置芯片升级区后，对配电终端断电重启；重启后，FPGA从配置芯片的升级区加载程序并执行，完成FPGA在线升级。
若FPGA在线升级失败，从配置芯片备份区加载数据。本发明采用DUAL BOOT模式，出场时在配置芯片中预先写入了两套程序文件，对配置芯片升级区进行擦除、升级，保留配置芯片备份区数据，避免FPGA在线升级更新失败，FPGA无法工作。
在本实施例中，升级文件为.bin格式的文件。
在本实施例中，安装有升级软件的上位机向FPGA发送擦除指令之前，还包括：安装有升级软件的上位机识别升级文件大小，计算需要擦除的配置芯片的空间大小，根据升级文件的大小对配置芯片进行擦除。
在具体实施例中，还包括FPGA对上位机擦除指令进行判断：如果上位机指令合法，将执行上位机指令内容，并返回执行结果；如果上位机指令不合法，则不执行且不返回执行结果，避免返回正常指令导致上位机误判。
在具体实施例中，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA后，还包括FPGA对上位机的升级文件进行判断：如果升级文件合法，将执行升级文件内容，并返回执行结果；如果升级文件不合法，则不执行且不返回执行结果。
在本实施例中，安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA具体包括：安装有升级软件的上位机将升级文件拆分为一帧一帧的数据，每帧数据包含的数据不超过256字节；安装有升级软件的上位机逐帧发送升级数据，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧数据，直至所有的数据发送完毕；若确认帧无返回，上位机一直处于等待状态，需要人工介入。在实现FPGA在线升级过程中，FPGA对配置芯片操作成功时返回指令给上位机，失败时不返回结果；上位机根据是否有返回结果，判断升级过程中故障问题定位，增强整个产品的可维护性。
在具体实施例中，将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA之后还包括：FPGA对安装有升级软件的上位机发送的升级数据进行解析，解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为非程序升级指令，比如通讯指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果。通过对指令的解析，可以区分是升级指令还是通讯指令，这样在原来用于通讯的串口上实现升级功能，而不需要借助单独的升级接口。
本发明配置芯片每次上电时FPGA从配置芯片中加载程序并执行；程序升级就是对配置芯片中存储的原程序进行擦除并写入新程序的过程；升级区存储升级程序，FPGA优先从该区域加载，备份区存储备份程序，升级失败时从该区域加载。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的一种FPGA在线升级方法的一种FPGA在线升级系统。该系统所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个系统实施例中的具体限定可以参见上文中对于一种FPGA在线升级方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种FPGA在线升级系统，包括：安装有升级软件的上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片；所述上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片依次通讯连接；
安装有升级软件的上位机用于发起程序升级流程，并将升级文件分解，分解后的升级数据通过串口通讯线缆发送给配电终端的串行通讯接口模块；
串行通讯接口模块用于将安装有升级软件的上位机发送的升级数据转换为TTL信号，起到电平转换的作用，实现RS232或RS485/422等信号与TTL信号的转换；
FPGA模块用于根据安装有升级软件的上位机发送的擦除指令对配置芯片的升级区进行擦除；用于解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为非程序升级指令，比如通讯指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果，实现正常的串口通讯功能；
配置芯片为FPGA程序的存储媒介，用于每次上电时FPGA从配置芯片中加载程序并执行；配置芯片内的数据区域分为升级区和备份区；升级区存储升级程序，FPGA优先从该区域加载，备份区存储备份程序，升级失败时从该区域加载。
在本实施例中，所述系统还包括专用下载器9、JTAG接口模块11、USB线缆8、JTAG线缆10，所述专用下载器9用于出厂时以Dual Boot（双启动）模式写入FPGA程序，所述专用下载器9通过USB线缆8与上位机1连接，所述JTAG接口模块11一端通过JTAG线缆10与所述专用下载器9连接，另一端通过JTAG接口12与FPGA模块5通讯连接，供生产和调试时使用。本发明保留专用下载器及USB线缆、JTAG线缆等传统的离线式下载模式，则本发明同时兼容了串口和JTAG两种模式，支持在线升级的同时又不影响生产和调试使用。
值得说明的是，专用下载器是指与FPGA器件匹配的下载器，不同厂家的下载器存在不兼容的可能。
所述系统还包括电源13，用于给配电终端各模块供电。
在具体实施例中，参照图2，上位机1通过串口通讯线缆2与串口通讯接口模块3连接，所述串行通讯接口模块与FPGA模块5通过TTL接口4连接，所述FPGA模块5与配置芯片7通过SPI总线6连接。
在具体实施例中，参照图3，FPGA模块包括串口通讯模块22、程序数据缓冲区23、Flash读写模块24、通讯数据缓冲区25和通讯数据处理模块26。
串口通讯模块22用于接收串行通讯接口模块3发送的数据信号并与程序数据缓冲区23、通讯数据缓冲区25通讯连接；其中，串口通讯模块22中包括Uart驱动模块22-1、接收数据缓冲区22-2、发送数据缓冲区22-3；接收数据缓冲区22-2用于缓存接收数据，发送数据缓冲区22-3用于缓存发送数据。
程序数据缓冲区23，用于缓存程序升级指令；通讯数据缓冲区25用于缓存非程序升级指令；通讯数据处理模块26用于实现正常的串口通讯功能。
Flash读写模块24包括SPI驱动模块24-1，SPI驱动模块24-1用于驱动SPI（SerialPeripheral Interface，串行外设接口）接口，按照配置芯片7要求的通讯时序和数据格式完成与配置芯片7的数据/指令交互。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种FPGA在线升级方法，其特征在于，包括以下步骤：
安装有升级软件的上位机发送擦除指令，由配电终端的FPGA对配电终端的配置芯片的升级区进行擦除，保留配置芯片备份区数据；擦除指令全部发送完毕后，安装有升级软件的上位机发送读指令，验证已擦除的空间是否擦除成功，若未擦除成功，继续擦除；
若擦除成功，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧升级数据，直至所有的数据发送完毕，FPGA执行完成后返回确认指令给上位机；
升级文件全部写入配置芯片升级区后，对配电终端断电重启；重启后，FPGA从配置芯片的升级区加载程序并执行，完成FPGA在线升级。
2.根据权利要求1所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，还包括：若FPGA在线升级失败，从配置芯片备份区加载数据。
3.根据权利要求1所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，上位机向FPGA发送擦除指令之前，还包括：安装有升级软件的上位机识别升级文件大小，计算需要擦除的配置芯片的空间大小。
4.根据权利要求1所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，安装有升级软件的上位机发送擦除指令后，FPGA对上位机擦除指令进行判断：如果上位机指令合法，将执行上位机指令内容，并返回执行结果；如果上位机指令不合法，则不执行且不返回执行结果。
5.根据权利要求1所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，由安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA后，还包括FPGA对上位机的升级文件进行判断：如果升级文件合法，将执行升级文件内容，并返回执行结果；如果升级文件不合法，则不执行且不返回执行结果。
6.根据权利要求1所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，安装有升级软件的上位机将升级文件进行分解，并将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA具体包括：安装有升级软件的上位机将升级文件拆分为一帧一帧的数据，每帧数据包含的数据不超过256字节；安装有升级软件的上位机逐帧发送升级数据，待FPGA执行完毕返回确认帧后，再次发送下一帧数据，直至所有的数据发送完毕。
7.根据权利要求1或5所述的一种FPGA在线升级方法，其特征在于，将分解后的升级数据逐帧发送给FPGA之后还包括：FPGA对安装有升级软件的上位机发送的升级数据进行解析，解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为非程序升级指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果。
8.一种FPGA在线升级系统，其特征在于，包括：安装有升级软件的上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片；所述上位机、串行通讯接口模块、FPGA模块、配置芯片依次通讯连接；
安装有升级软件的上位机用于发起程序升级流程，并将升级文件分解，分解后的升级数据通过串口通讯线缆发送给配电终端的串行通讯接口模块；
串行通讯接口模块用于将安装有升级软件的上位机发送的升级数据转换为TTL信号；
FPGA模块用于根据安装有升级软件的上位机发送的擦除指令对配置芯片的升级区进行擦除；用于解析判断是否为程序升级指令，解析后判断为程序升级指令，写入程序数据缓冲区，执行程序升级指令；若解析后判断为通讯指令，则将数据写入通讯数据缓冲区中，返回指令执行结果，实现正常的串口通讯功能；
配置芯片为FPGA程序的存储媒介，用于每次上电时FPGA从配置芯片中加载程序并执行；配置芯片内的数据区域分为升级区和备份区；升级区存储升级程序，FPGA优先从该区域加载，备份区存储备份程序，升级失败时从该区域加载。
9.根据权利要求8所述的一种FPGA在线升级系统，其特征在于，所述系统还包括专用下载器、JTAG接口模块、USB线缆、JTAG线缆，所述专用下载器用于出厂时以双启动模式写入FPGA程序，所述专用下载器通过USB线缆与上位机连接，所述JTAG接口模块一端通过JTAG线缆与所述专用下载器连接，另一端通过JTAG接口与FPGA模块通讯连接。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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