[導讀].FPGA也能在線升級？以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA為例，這兩家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPIFlash芯片中，常規(guī)的下載方式是使用專用的下載器，如Xilinx的PlatfomCableUSB或者USBBlaster，通過JTAG將程序文件下載...
. FPGA也能在線升級？
以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA為例，這兩家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPI Flash芯片中，常規(guī)的下載方式是使用專用的下載器，如Xilinx的Platfom Cable USB或者USB Blaster，通過JTAG將程序文件下載到外部的Flash芯片中，程序固化的過程本質上是對片外的Flash芯片進行固件更新。由此我們可以知道，當FPGA產品量產，需要大批量進行程序燒寫時，只需要使用SPI Flash燒寫器通過燒錄座對Flash芯片進行燒寫，燒寫完成之后再焊接到板子上。- FPGA板卡（含外部SPI Flash），如Spartan-6系列XC6SLX9 FPGA M25P16 SPI Flash
- 專用的PC串口上位機，也可以使用通用的串口助手，自定義的串口助手會增強通訊的穩(wěn)定性和可靠性
- USB-TTL串口模塊，用于FPGA和PC進行通訊
- 專用的FPGA固件代碼
. FPGA程序文件結構
在進行設計之前，我們需要先了解一下FPGA的程序文件格式，以Xilinx FPGA程序文件為例，主要有兩種文件格式：Bit文件和Mcs文件。前者Bit文件通常用于調試，Bit文件會下載到FPGA芯片內部RAM空間，掉電程序會丟失，因為FPGA開發(fā)階段需要頻繁的進行程序的擦除燒寫操作，這樣的好處是程序下載速度非?？欤粫腇lash芯片的壽命。后者Mcs文件通常用于最后的程序發(fā)布，產品量產時使用，它可以由Bit文件文件生成，在生成過程中需要指定外部SPI Flash的存儲大小。關于這兩種文件格式的介紹可以查看以下文章：- Xilinx Bit文件格式詳解
- Xilinx MCS(HEX)文件格式詳解
. 通訊協(xié)議設計
為了保證升級的穩(wěn)定性，我們不使用通用的串口調試助手，通過自定義通訊協(xié)議和串口上位機，可以提高升級的可靠性。串口通訊波特率通常為幾百KBps，而SPI控制器讀寫頻率通常為幾十MHz，為了能將數據完整有序的接收、保存、寫入，我們需要先將串口接收的數據存儲到FPGA內部的FIFO中，作為緩存和跨時鐘域處理。串口上位機解析出Mcs文件中的數據部分，啟動傳輸前，先發(fā)啟動命令，然后發(fā)送數據幀，最后發(fā)送結束命令。數據幀包括：幀頭 256字節(jié)數據 CRC校驗值。FPGA接收到數據之后，對數據進行校驗，校驗正確回復給上位機一個正確響應信號，校驗錯誤回復錯誤響應信號，串口上位機接收到正確的響應信號后，繼續(xù)發(fā)下一個數據幀，接收到錯誤的響應信號后，重復發(fā)上一幀數據，直到所有的數據發(fā)送完成，最后發(fā)送一個結束命令。這樣就簡單定義了一個發(fā)送-響應機制的通訊協(xié)議。. SPI芯片數據寫入
SPI數據的寫入有兩種方式：- 每接收到一幀數據之后，對SPI執(zhí)行一次寫256字節(jié)操作
- 所有的數據接收完成后，一次性將數據寫入外部的SPI Flash芯片。
. SPI芯片擦除和校驗
同理，為了保證程序能正常運行，在數據接收完成后，數據寫入前，我們需要對SPI芯片執(zhí)行全片擦除指令，這個擦除時間一般會比較長，通常和存儲大小相關，擦除完成之后，再執(zhí)行寫入，寫入完成之后，如果有必要，可以對指定存儲區(qū)間進行數據回讀，和接收到的數據進行比較，從而達到校驗的目的。. 總結
升級模塊可以獨立于應用邏輯，作為一個單獨的功能，不會影響正常的代碼邏輯。本文只是提供一個大致實現(xiàn)思路，如果要是做得非常完美，工作量還是很大的。當然串口只是一種升級方式，還可以通過SD卡升級，網口升級，USB升級，WiFi升級，外部控制器（如STM32）對FPGA進行程序更新等等。. 更多
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