基于SmartFusion的FPGA程序在線升級方案

本文主要介紹一個基于SmartFusion更新FPGA程序的IAP在線升級應用方案。在傳輸距離可靠的情況下，通過UART、SPI或者MAC將用戶板和PC機連接即可實現遠程升級，無需采用FlashPt03等下載器下載程序，也無需手動復位，一切工作均可由串口和上位機自動完成。如圖1所示，LAP在線升級SmartFusion和FPGA程序主要有以下三種方式。UART、SPI以及MAC。

1、概述

(1)IAP技術的需求

由于SmartFusion系列FPGA是行業首個智能混合信號FPGA，在嵌入式行業中的應用越來越廣泛。然而，無論是開發商還是初學者，在使用SmartFusion器件的時候，往往都需要額外購買昂貴的調試工具，比如M3編程器和FlashPro3下載器等，而這些編程器的價格有時候比開發板還貴，這樣就打消了很多初學者購買開發板的念頭。另一方面，調試和更新程序只局限于實驗室，使用者往往需要拿到板子之后，然后采用系統編程(ISP)的方式更新程序。這樣使得效率大大折扣，給后續的軟件更新和升級帶來了諸多不便。

基于SmartFusion更新FPGA程序的LAP在線升級應用方案正是針對這種現象提出的，用戶不但可以省下購買額外調試工具的費用，只需串口線、網線甚至是普通的電線即可。而且調試和更新程序的范圍不再局限于實驗室，而是可以通過網絡通信方式實現遠程升級和維護。

(2)方案比較

如今，很多使用單片機的初學者和用戶幾乎只使用ISP和IAP兩種方式來進行器件的實驗和開發，相比傳統編程方法的不足，這兩種方式更具有優越性。它們各自的工作原理和特點如表l所示。

對比以上表格可見，無論是在價格方面，還是在使用方面，IAP比ISP更具優越性，因此，采用IAP在線升級程序更具有靈活性。

(3)IAP系統框圖

本IAP在線升級方案主要包含了控制臺程序(人機界面部分)、傳輸線(連接PC機和目標板的橋梁)和目標板(包含cortex－M3處理核和LAP模塊)，結構框圖如圖2所示。整個系統的連接和操作相當簡單。

2、功能模塊介紹

本方案的設計主要是軟件方面的設計，總共包含4個功能模塊，分別是Bootloader、IAP、Application和控制臺程序。其中IAP是本設計的核心之一，同時也展示了一種在線更新FPGA程序的方法。

(1)Bootloader模塊

Bootloader程序的功能主要是移動或者裝載其他eNVM區域的鏡像程序進入運行位置，同時使M3進入運行或者調試狀態。如圖3所示，本程序在目標板上電初始化后運行，在進入本程序后，Boofloader將會提示用戶輸入命令，根據用戶輸入命令自動引導程序進入相應的鏡像程序執行。

(2)IAP模塊

IAP(In－Applicafion Programming)指MCU可以在系統中獲取新代碼并對自己重新編程，即可用程序來改變程序。相比ISP，IAP的實現相對要復雜一些。

在實現IAP功能時，單片機內部至少要有兩塊存儲區，一般一塊被稱為BoOT區，另外一塊被稱為存儲區。單片機上電運行在BOOT區，如果有外部改寫程序的條件滿足，則對存儲區的程序進行改寫操作。如果外部改寫程序的條件不滿足，程序指針跳到存儲區，開始執行放在存儲區的程序。

如圖4所示，假如現在處于IAP升級狀態，此時IAP程序將被全部裝載到SRAM區，M3完全在SRAM區運行IAP，然后將通過UART／SPI／MAC將det文件寫入存儲區(Applicafion)，從而實現了IAP功能。

(3)Application模塊

Application程序是用戶自定義的程序，根據用戶的不同需求和硬件的搭配而不同，因此用戶可以隨意改動這部分程序，但是，編寫Application程序的時候還是有一定的要求，因為需要實現串口遠程更新程序，那就要求在程序運行過程中能夠識別串口發送過來的更新命令，讓用戶板自動復位進入Bootloader程序，然后引導程序進入IAP程序實現遠程升級。因此，對Application程序有以下幾點要求：

·需要初始化定時狗，定時喂狗，最好是啟動一個定時器，在定時中斷程序中定時喂狗，同時此定時器也可給其它模塊復用：

·初始化串口為中斷模式，默認采用串口0，配置波特率為230400bps，14位字節的位深度觸發方式；

·在串口中斷服務程序中，添加IAP升級協議。

(4)控制臺模塊

控制臺程序是采用VC6.0開發的小程序，結合前面三個程序模塊的設計，控制臺程序可以輕松取代編程器和下載器等調試工具，實現中央控制、遠程升級和維護目標板的功能。管理人員只需將得到的更新程序dat文件的路徑導入控制臺模塊，然后點擊控制臺程序，即可完成LAP遠程升級FPGA程序。

3、市場應用

隨著軟件的不斷發展和壯大，以及信息技術的網絡化。很多已經應用在市面上的產品其軟件都沒能及時得到更新，與此同時暴露出來的漏洞也層出不窮。然而經濟的全球化促使嵌入式產品、工控機等遍播全球，給產品的程序更新帶來重重阻礙。為此，IAP技術的實現將打破僵局，實現各個嵌入式產品得到遠程軟件升級，使其能夠適應不同的應用場合而及時得到軟件的更新。因此IAP技術的市場前景一片光芒。

本文介紹的IAP遠程在線升級FPGA程序方案具有可執行性高、性能可靠，以及降低開發商的開發成本等特點。在遠程軟件更新方面具有很大的市場競每優勢和開拓前景，可以為實現嵌入式產品網絡化的軟件更新、管理和維護提供一個理想的解決方案。

IAP技術的應用很廣泛，以下為幾個應用實例。如圖5所示，如果發現地下的煤礦瓦斯監測系統需要添加新功能，那么此時可以利用IAP進行升級。又比如圖6的集散型控制系統，管理人員只需坐在辦公室即可控制和升級設備的程序，無需現場操作。

4、小結

本文主要介紹了一個IAP升級FPGA程序的解決方案。敬請關注周立功公司的網站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并請關注下期的FPGA專題技術講座。