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FPGA在线升级

FPGA在线升级

一.问题背景
在实际工程应用中,我们时常会遇到为解决某个老产品的BUG,需要在工程现场更新设备的FPGA代码,或者参加电信测试时需要现场升级设备FPGA程序以便于调试。公司现阶段所用的Altera FPGA程序代码一般存放于芯片配套的FLASH存储器中,而常见的对印制板上FLASH编程有几种方法,原始的方法是使用编程器,这种方法需要要将芯片取下,十分不便,或者通过JTAG接口连接到PC机上,但需要专用下载软件(一般由芯片生产厂商提供)。在测试现场或调测机房现场,要找到FPGA的专用下载线是比较困难的,且Altera FPGA的专用下载软件并不是每个PC设备上都有的。有时仅为了更新一个FPGA的程序就需要研发或客服人员亲自到现场去烧写程序,这既不便捷,也使得设备维护成本大大增加。
经过可行性与成本的考虑,我们找到一种既方便实用又低成本的方法来实现FPGA程序的在线现升级。即在MCU中(单片机或ARM均可)用软件来模拟XModem协议,将程序文件传输到FPGA的FLASH中。这种方法使用WINDOWS自带的超级终端软件来传送文件,无需安装专用软件,硬件支持仅需要一根通用串口线,只要在目标板MCU上增加一段实现XModem协议传输的代码,就可以方便的实现FPGA程序下载了。这种特点不仅方便了客服人员,也给研发和生产人员在现场调试和软件升级、修改中带来极大方便。
二.XModem协议简介
XModem协议是一种在串口通信中广泛用到的异步文件传输协议。协议以128字节块的形式传输数据,每个块都使用一个校验过程来进行错误检测。标准XModem协议帧格式如图1 所示:
________________________________________________________________ |  |   |     |   |   | |  SOH | 信息包序号 |   信息包序号的补码 |  数据区段  |   校验   | |_______ |___________ |___________________ |___________ |___________ |
图1  标准XModem协议帧格式
XModem协议传输逻辑:
对于标准XModem协议来说,如果传送的文件不是128的整数倍,那么最后一个数据包的有效内容肯定小于帧长,不足的部分需要用CTRL-Z来填充。
传输由接收方启动,方法是向发送方发送"C"或者NAK(注:这里提到的NAK是用来启动传输的)。XModem协议支持2种校验,接收方发送NAK信号表示接收方打算用累加和校验,发送字符"C"则表示接收方想打算使用CRC校验。当接收方发送的第一个"C"或者NAK到达发送方,发送方认为可以发送第一个数据包,传输已经启动。发送方接着应该将数据以每次128字节的数据加上包头,包序号,包序号补码,末尾加上校验和,打包成帧格式传送。
发送方发了第一包后就等待接收方的确认字节ACK,收到接收方传来的ACK确认,就认为数据包被接收方正确接收,并且接收方要求发送方继续发送下一个包。接收方首先确认数据包序号的完整性,通过对数据包序号取补,然后和数据包序号的补码异或,结果为0表示正确,结果不为0则发送NAK请求重传(注:这里NAK用来告诉发送方重传,而不是用来启动传输)。接收方确认数据包序号正确后,然后检查是否期望的序号。如果不是期望得到的数据包序号,说明发生严重错误,则发送一个CAN来无条件中止传输。如果接收到的数据包的包序号和前一包相同,那么接收方会忽略这个重复包,向发送方发出ACK,准备接收下一个包。接收方确认了信息包序号的完整性和是正确期望的后,只对128字节的数据区段进行算术和校验,结果与帧中最后一个字节比较,相同发送ACK,不同发送 NAK。
如果发送方正常传输完全部数据,需要结束传输,正常结束需要发送方发送EOT字节通知接收方,接收方回以ACK进行确认。虽然数据包是以SOH来标志一个信息包的起始的,但在SOH位置上如果出现EOT则表示数据传输结束,再也没有数据传过来。当然接收方也可强制停止传输,当接收方发送CAN字节给发送方,表示接收方想无条件停止传输,发送方收到CAN后,不需要再发送EOT确认。XModem协议相关控制字符含义详见附录1。
三.Altera FPGA在线升级的硬件实现
Altera FPGA用JTAG在AS模式下的程序烧写,是先将程序文件*.pof下载到芯片的FLASH中存储起来,每次重新上电后,程序文件会重新由FLASH载入到FPGA芯片中。Altera FPGA常用FLASH芯片为EPCS1和EPCS4,这两个FLASH芯片除了容量不一样,其他方面几乎完全相同,在引脚上也完全兼容。

图2  FPGA  AS模式烧写硬件连接图
图2所示为FPGA用JTAG在AS模式下烧写程序文件的硬件连接图。我们需要用MCU模拟AS模式的硬件操作方式,通过XModem协议,将FPGA代码文件传输到FLASH中。

AS模式烧写FPGA时,与7个信号相关,其中DATA、DCLK、nCS、ASDI是FLASH的四个SPI信号,分别代表FLASH的数据输出、读写时钟、片选、数据输入。MCU也需要通过这四个引脚,将数据传输到FLASH中去。另外三个信号CONF_DONE、nCONFIG、nCE分别是烧写FLASH时,需对FPGA进行控制的三个信号。
nCE为FPGA的芯片使能信号,nCONFIG为低电平时复位FPGA的信号,CONF_DONE为FLASH载入到FPGA完成信号。在AS烧写模式,nCONFIG=0, FPGA复位,nCE=1,使FPGA芯片不被选中,CONF_DONE=0,下载开始;下载结束时,nCONFIG=1,nCE=0,进入代码由FLASH到FPGA的载入过程,当载入完毕后,CONF_DONE=1。
在对FLASH读写时,需要注意的是,EPCS1/EPCS4区别于一般的FLASH,有其自身对应的操作码,不同的操作码代表对FLASH进行不同的操作。如表1所示,有写使能、写禁止、读芯片状态、读字节、读芯片ID、写芯片状态、写字节、擦除整片、擦除片区这几个操作码。对EPCS1/EPCS4进行任何操作,都需在片选变低后,首先写入对应的操作码,然后是地址和数据。此外,在写字节、写状态、片区擦除、整片擦除之前必须要先进行写使能操作。上电、写字节、写状态、片区擦除、整片擦除完成后需要进行写禁止操作。
表1  EPCS1/EPCS4操作码

四.MCU中的软件实现
1. 软件流程
在MCU软件实现FPGA在线升级的过程中,除了对FLASH的读写,最主要的部分是通过模拟XModem协议,将文件传输到FLASH中。整个传输过程需同时遵循XModem传输逻辑以及EPCS1/EPCS4的读写规则。软件流程如图3所示:

(1)将*.pof文件用UltraEdit编译软件打开,如图4所示,在QuartusⅡ生成的*.pof烧写文件中,最前面一段是Quartus的版本等与代码无关的信息,可将图4中红色方框部分删除,直到第一行全‘FF’开始之前,将第一行全‘FF’为代码的起始行。


图4  *.pof烧写文件起始
(2)如图5所示,*.pof文件中,可用代码结束后,是大片的全‘FF’无用代码。可将这些全‘FF’保留15~20行,以保证XModem传输128字节的完整性,将其余多余的全‘FF’全部删除。

图5  *.pof烧写文件结束
(3)将无效代码删除后,可将新文件按自定义命名,‘另存为’后缀*.bin的文件即可。

3. 反相传输
我们通常的读写习惯或SPI的读写大多是由字节的MSB开始,LSB结束。按照此种方式对Altera FPGA的FLASH进行XModem传输,传输成功后,FPGA确并没有启动。通过将用JTAG烧写到FLASH的代码用编程器读出,我们发现了问题所在。
图6、图7所示为同一序列段代码的截取,图6为QuartusⅡ生成的*.pof烧写文件的代码,图7为通过烧片器从FLASH中读出的代码。通过观察,我们不难发现,这两段代码中的每一个字节均是互为反向的,即MSB与LSB的位置是相反的。

在将FLASH进行XModem的传输中改为由LSB开始传输,传输完成后,FPGA运行正常。因此,我们需要注意,在对EPCS1/EPCS4进行XModem传输时,应先从LSB开始,MSB结束。
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