FPGA程序遠程在線更新設計

1　概述

現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)點，在航空航天、通信、工業(yè)控制等方面得到了大量應用。FPGA的處理器分為軟核和硬核，并且軟核處理器具有高度的靈活性和可配置性。

由于FPGA器件采用的是SRAM工藝，在斷電的情況下FPGA內(nèi)的配置數(shù)據(jù)將丟失，所以需要非易失的存儲器來結(jié)合FPGA完成嵌入式系統(tǒng)的設計。EPCS(Erasable Programmable Configurable Serial)Flash屬于串行接口Flash，具有接口簡單、體積小、配置方便的特點，通常用來存儲FPGA的配置文件和Nios II的軟件可執(zhí)行代碼。在經(jīng)過合理的配置后，系統(tǒng)在上電后就可以從EPCS Flash中讀取這些文件來啟動整個系統(tǒng)。

為了能使系統(tǒng)得到更靈活的應用，充分發(fā)揮FPGA的靈活性、高效性，F(xiàn)PGA的軟硬件程序都需要方便的更新和升級功能;而當形成產(chǎn)品后，通過JTAG和Nios II IDE工具來聯(lián)合完成對EPCS Flash的更新燒寫很不方便。為此，本文結(jié)合Altera公司提供的工具，提出了一種遠程在線更新FPGA配置文件和Nios II程序文件的方法。

2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要有上位機系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、EPCS Flash三個主體部分。上位機系統(tǒng)提供人機交互的部分，F(xiàn)PGA系統(tǒng)包括Nios II處理器、EPCS控制器、網(wǎng)絡及串行接口和其他外部接口，EPCS Flash主要用于存儲FPGA的配置文件和Nios程序映像文件。上位機系統(tǒng)通過FPGA集成的網(wǎng)絡及串行接口來完成通信工作。

FPGA采用Altera公司的Cyclone III系統(tǒng)的EP3C40F484I7N芯片。它具有低功耗、高集成度、易于使用的特性。EPCS Flash采用Altera公司的EPCS16SI16N芯片，它支持多種可配置的時鐘源，最高支持100 MHz的外部時鐘源，具有16 Mb的存儲空間，足夠滿足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存儲需要。

3　更新程序處理流程

更新FPGA的配置文件和Nios II的應用程序的流程如圖2所示。

圖2　更新程序處理流程

本方法把由Nios II IDE生成的FPGA配置文件和Nios II程序文件合并，并編程為一個可以直接執(zhí)行的、包含F(xiàn)PGA配置文件和Nios II程序文件的二進制BIN文件。然后把該文件通過Xmodem協(xié)議由上位機系統(tǒng)傳輸給Nios II的應用程序。Nios II的應用程序接收到完整的BIN文件后，把該BIN文件寫入到EPCS Flash中。最后，Nios II的應用程序停止看門狗，程序重新啟動，即完成了FPGA的遠程在線更新程序的過程。