基于千兆以太網(wǎng)的FPGA 遠(yuǎn)距離在線更新設(shè)計(jì)

文豐，韓冰，袁小康

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

一般情況下，F(xiàn)PGA 需要通過(guò)JTAG 接口，使用配套的下載線和上位機(jī)進(jìn)行連接，來(lái)完成程序的更新。這種方法有很大的局限性，如一些產(chǎn)品的使用環(huán)境特殊，要求結(jié)構(gòu)密封，這樣就無(wú)法打開(kāi)下載口更新程序。該文以此為出發(fā)點(diǎn)，介紹了一種由Flash、FPGA 和以太網(wǎng)組成的遠(yuǎn)距離在線更新系統(tǒng)。

Xilinx 7 系列FPGA 支持多重配置功能（即Reconfiguration and MultiBoot），具體劃分有：主串模式、從串模式、主并模式、從并模式和SelectMAP 模式，MultiBoot 特性允許用戶(hù)在不掉電重啟的情況下，針對(duì)不同的功能需求，從存儲(chǔ)于Flash 中的多個(gè)更新文件中選擇其中的一個(gè)進(jìn)行加載，便可實(shí)現(xiàn)FPGA 系統(tǒng)配置更新，完成對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。這就為FPGA遠(yuǎn)距離更新帶來(lái)極大的便捷性和操作性[1]。該文提出一種遠(yuǎn)距離更新方法，將待更新的配置文件編程到Flash，F(xiàn)PGA 將優(yōu)先更新配置這些文件，實(shí)現(xiàn)在線更新。

1 原理簡(jiǎn)述

1.1 硬件框圖

硬件設(shè)計(jì)框架如圖1 所示，主要可分為FPGA 控制,以太網(wǎng)傳輸和Flash 存儲(chǔ)，以太網(wǎng)選用Marvell 的88E1111 芯片，它的功能主要是把上位機(jī)下發(fā)的指令和更新程序數(shù)據(jù)傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA 選擇Xilinx公司的XC7A100T 芯片，7 系列芯片采用28 nm 加工工藝，集成度高、價(jià)格低廉、功耗控制較好。Flash 采用Micron 生產(chǎn)的N25Q128A，該芯片通過(guò)SPI 總線與FPGA 通信，內(nèi)存大小為128 MB。FPGA 收到配置文件后，通過(guò)SPI 讀寫(xiě)將配置文件寫(xiě)入Flash 指定的存儲(chǔ)空間[2]。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 FPGA內(nèi)部處理框圖

以太網(wǎng)接口選用TCP/IP 通信協(xié)議，進(jìn)行上位機(jī)與FPGA 兩者之間的通信。以太網(wǎng)接口在很多方面與Flash 接口存在不同，例如傳輸?shù)乃俾屎蛿?shù)據(jù)位寬等，因此選擇加入FIFO，用來(lái)存放緩存數(shù)據(jù)以及中轉(zhuǎn)位寬，F(xiàn)PGA 內(nèi)部更新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，由以太網(wǎng)接口、FIFO、SPI 接口三部分組成[3]。就傳輸速度來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)相對(duì)更快，所以傳完一整包數(shù)據(jù)后，需等待FIFO 中緩存的數(shù)據(jù)存到Flash中，再傳下一包數(shù)據(jù)。

圖2 FPGA處理框圖

1.3 SPI接口

該文選用的SPI 協(xié)議支持的是主串模式，這種模式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，占用空間小，資源利用率高。當(dāng)配置FPGA 選擇主串模式時(shí)，主設(shè)備選擇FPGA，從設(shè)備選擇Flash，SPI接口配置圖如圖3所示。

圖3 SPI接口配置圖

SPI 接口是一種高速的、全雙工、同步、串行的數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)PGA 通過(guò)Flash_clk，F(xiàn)lash_cs，F(xiàn)lash_datain和Flash_dataout4 條信號(hào)線來(lái)控制與Flash 之間的數(shù)據(jù)傳輸[5]。其中Flash_clk 是時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)PGA 通過(guò)控制Flash_clk 信號(hào)來(lái)控制通信時(shí)序。Flash_cs 的作用是片選功能，起作用時(shí)電平為低，當(dāng)Flash 處于選中狀態(tài)時(shí)，寫(xiě)入FPGA 的操作指令和數(shù)據(jù)信息就會(huì)通過(guò)Flash_datain 傳輸?shù)紽lash中，同時(shí)Flash_dataout 讀取Flash 的信息并發(fā)送到FPGA 上。

2 Flash地址空間及配置文件跳轉(zhuǎn)

FPGA 遠(yuǎn)距離更新配置文件分為Golden 配置文件和Multiboot 配置文件。其中，Golden 文件遠(yuǎn)程更新時(shí)不對(duì)它操作。Multiboot 文件則是由用戶(hù)定義的，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能(即FPGA 功能)的配置程序，遠(yuǎn)程更新時(shí)只對(duì)它進(jìn)行操作[7]。程序重新加載切換更新框圖如圖4 所示。

圖4 配置文件跳轉(zhuǎn)框圖

Flash 芯片內(nèi)部地址如圖5 所示。

圖5 Flash芯片內(nèi)部地址

FPGA 更新結(jié)束后，可以正常工作的前提：1）Flash 中指定的地址空間放置著相應(yīng)的配置文件；2）Golden配置文件能正確跳轉(zhuǎn)到Multiboot配置文件[8]。

Flash 內(nèi)部空間的最開(kāi)始部分用來(lái)存儲(chǔ)Golden配置文件，文件內(nèi)包含在線更新功能和一些基礎(chǔ)功能。而Multiboot 配置文件包含SPI 讀寫(xiě)及遠(yuǎn)程更新接口，以及其余功能模塊，存放在指定的地址空間；最后放置狀態(tài)字，目的是驗(yàn)證Multiboot 配置文件是否準(zhǔn)確完整。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)流程

遠(yuǎn)距離更新流程如圖6 所示。

圖6 遠(yuǎn)距離更新流程

遠(yuǎn)距離更新一開(kāi)始，上位機(jī)先經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)接口下發(fā)“擦除”命令給FPGA，等待FPGA 得到指令后，馬上擦除Flash 中的數(shù)據(jù)[9]，完成該操作后反饋“已擦除”狀態(tài)給上位機(jī)。

在SPI 讀寫(xiě)程序編寫(xiě)時(shí)，擦除時(shí)地址由低到高，寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)地址由高到低，F(xiàn)PGA 加載Flash 數(shù)據(jù)時(shí)，最先檢驗(yàn)同步字，檢測(cè)正確后再加載其余配置數(shù)據(jù)。同步字在bin 文件頭部，所以擦除時(shí)需先擦除同步字，避免先擦除其余配置數(shù)據(jù)由于同步字仍存在，F(xiàn)PGA 檢測(cè)到同步字后一直等待加載，從而卡死。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)最后寫(xiě)入同步字，避免寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)異常斷電，由于同步字存在，F(xiàn)PGA 檢測(cè)到同步字后一直等待加載，從而卡死[10]。

上位機(jī)為擦除完成狀態(tài)后，就可以將需要傳輸?shù)呐渲梦募掳l(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA 將配置文件解析后“存入”Flash，直到配置文件傳輸完成[11]。

上位機(jī)下發(fā)配置文件時(shí)，由于FPGA配置SPI寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)地址由高到低，F(xiàn)IFO 的半空標(biāo)志應(yīng)為256 字節(jié)，檢測(cè)到半空標(biāo)志后，進(jìn)行頁(yè)編程，寫(xiě)入256 字節(jié)數(shù)據(jù)。所以上位機(jī)發(fā)送配置文件時(shí)，首先發(fā)送配置文件最底部的256 字節(jié)數(shù)據(jù)，256 字節(jié)組成一幀，接著傳輸配置文件，由下往上發(fā)送數(shù)據(jù)信息，直到傳輸完所有數(shù)據(jù)[12]。

上位機(jī)軟件發(fā)送完配置文件后，自動(dòng)讀取FPGA設(shè)備中Flash 的配置文件，并與下發(fā)的配置文件進(jìn)行比對(duì)，如果文件內(nèi)容一樣，則證明下發(fā)配置文件正確，如果不一樣，則提醒配置失敗。

3.2 多重配置設(shè)計(jì)

多重配置特性使FPGA 能夠從Flash 中的指定地址有選擇地加載bit流文件，將熱啟動(dòng)地址（WBSTAR）和內(nèi)部程序（IPROG）命令嵌入到bit 流文件中。內(nèi)部生成的脈沖（IPROG）啟動(dòng)配置邏輯在熱啟動(dòng)地址寄存器（Warm Boot Start AddRess）WBSTAR 中指定的地址位置跳轉(zhuǎn)到更新bit 流文件，并嘗試加載更新文件。如果在更新文件加載過(guò)程中檢測(cè)到配置錯(cuò)誤，則會(huì)觸發(fā)Fallback 加載Golden 文件。

Golden 文件存儲(chǔ)在Flash 0 地址中，Multiboot 更新文件存儲(chǔ)在WBSTAR 寄存器指定的地址中[13]。當(dāng)WBSTAR 設(shè)置為默認(rèn)值以外的任何地址值時(shí)，IPROG 會(huì)自動(dòng)嵌入到bit流中。

3.3 Vivado約束文件配置

打開(kāi)約束文件，將以下內(nèi)容復(fù)制到Golden 文件的約束文件中并保存。

set_propertyCFGBVS VCCO [current_design]（根據(jù)FPGA 連接情況進(jìn)行設(shè)置）

set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]（根據(jù)FPGA 連接情況進(jìn)行設(shè)置）set_property BITSTREAM.GENERAL.CO MPRESS TRUE[current_design]（bit流壓縮）

set_pr-operty BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRA TE40[curr-ent_design]（配置速度）

set_property CONFIG_MODE SPIx1[current_de sign]（X1 模式）

set_property BITST REAM.CONFIG.SPI_BUSW IDTH 1[current_design]（X1 模式）

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFI GFA LLBACK ENABLE[current_design]

（配置FPGA 失敗后可跳轉(zhuǎn)）

set_property BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONF IG_ADDR 0x0300000[current_design]

（配置跳轉(zhuǎn)位置，暫定3 MB，可以根據(jù)bin 文件大小需求進(jìn)行更改，但需與程序中SPI—Flash 模塊設(shè)置一致）set_property BITSTREAM.CONFIG.TIMER_CFG 0x00 0F4240 [current_design]（設(shè)置看門(mén)狗時(shí)間，一個(gè)時(shí)鐘4 000 ns，暫設(shè)置為4 s，可根據(jù)不同PROM 設(shè)置）

同理，將上述內(nèi)容中配置地址語(yǔ)句去掉，然后復(fù)制到Multiboot 約束文件中并保存。最后將bit 文件生成mcs 文件下載到Flash 即可[14]。

4 驗(yàn)證方法

4.1 上位機(jī)配置Multiboot文件正常測(cè)試

選擇配置文件并打開(kāi)配置FPGA，結(jié)束后，將設(shè)備斷電并重新上電，觀察設(shè)備是否能正常工作，若能正常工作，則代表上位機(jī)軟件配置FPGA 成功[15]。更新過(guò)程中，上位機(jī)界面如圖7-9 所示。

圖7 擦除Flash界面

4.2 上位機(jī)配置Multiboot文件異常情況測(cè)試

4.2.1 擦除時(shí)斷電異常情況測(cè)試

圖9 配置完成界面

上位機(jī)軟件在圖7 配置文件擦除任意時(shí)刻時(shí)，將設(shè)備斷電并重新上電，上位機(jī)重新單擊“配置FPGA”按鈕，按4.1 節(jié)的步驟進(jìn)行操作，若上位機(jī)能配置FPGA，且彈出“配置FPGA 結(jié)束”提示框，則證明當(dāng)Multiboot 代碼配置文件被擦除后，設(shè)備能自動(dòng)跳轉(zhuǎn)并調(diào)用Golden 代碼配置文件。

4.2.2 配置時(shí)斷電異常情況測(cè)試

上位機(jī)軟件在圖8 配置文件配置任意時(shí)刻時(shí)，將設(shè)備斷電并重新上電，上位機(jī)重新單擊“配置FPGA”按鈕，按4.1 節(jié)的步驟進(jìn)行操作，若上位機(jī)能配置FPGA 且彈出“配置FPGA 結(jié)束”提示框，則證明當(dāng)Multiboot 代碼配置文件被擦除后或者未寫(xiě)完時(shí)，設(shè)備能自動(dòng)跳轉(zhuǎn)并調(diào)用Golden 代碼配置文件。

圖8 配置FPGA界面

經(jīng)驗(yàn)證，兩種異常情況下，設(shè)備均能自動(dòng)跳轉(zhuǎn)并調(diào)用Golden 代碼配置文件。

5 結(jié)論

該文介紹的遠(yuǎn)距離在線更新方法，以Flash 和FPGA 主串模式配置為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)FPGA 配置流程、SPI 讀寫(xiě)控制的研究，提出了該方案，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離在線更新功能。克服了特殊環(huán)境下FPGA 程序無(wú)法在線更新的困難。對(duì)于密封結(jié)構(gòu)，無(wú)法開(kāi)蓋的情況，在線更新程序流程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，使得程序更新的效率大大加快。該方法已經(jīng)應(yīng)用于具體設(shè)備中。另外，該方案的移植性強(qiáng)，如在LVDS，光纖等其他通信接口也可以很容易被應(yīng)用，因此，在工程方面應(yīng)用前景廣闊。相比于之前的程序更新方法，為防止掉電導(dǎo)致更新失敗，該方案加入了保護(hù)措施，進(jìn)一步增加了在線更新的可靠性[16]。