一種遠程在線更新FPGA程序的方法

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(yīng)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(shè)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NiosII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EPCSFlash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(yīng)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NiosII 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NiosII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。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NiosII處理器、EPCS控制器、網(wǎng)絡(luò)及串行接口和其他外部接口，EPCSFlash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(luò)及串行接口來完成通信工作。

FPGA采用Altera公司的CycloneIII系統(tǒng)的EP3C40F48417N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NiosII的應(yīng)用程序的流程如圖2所示。

本方法把由NiosII IDE生成的FPGA配置文件和NiosII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NiosII程序文件的二進制BIN文件。然后把該文件通過X-modem協(xié)議由上位機系統(tǒng)傳輸給NiosII的應(yīng)用程序。NiosII的應(yīng)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(yīng)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。

4 合并程序文件
Nios II的啟動要經(jīng)歷兩個過程：
①FPGA器件本身的配置過程。如果內(nèi)部邏輯中使用了NiosII，則配置完成的FPGA中包含有NiosII軟核CPU。
②NiosII本身的應(yīng)用過程。一旦FPGA配置成功后，NiosII就被邏輯中的復位電路復位，從reset地址開始執(zhí)行代碼。
Nios II IDE將FPGA的配置文件(．sof文件)和應(yīng)用程序(．elf文件)轉(zhuǎn)成flash格式文件，轉(zhuǎn)換后的flash格式文件是一種S-Record格式數(shù)據(jù)，包含如下區(qū)域：type>length>address>data>checksum>。各字段的意思分別如下：type>表示記錄的類型；length>表示數(shù)據(jù)的長度；address>表示數(shù)據(jù)寫入的起始地址，該字段的長度取決于type>的取值；data>表示存儲的數(shù)據(jù)；checknum>表示校驗位。