沈?yàn)t波 顏科峰 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種以太網(wǎng)在線更新FPGA目標(biāo)程序的方法

沈?yàn)t波 顏科峰 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

為了解決現(xiàn)有水聲通信系統(tǒng)中FPGA目標(biāo)程序不能在線更新的問題，提供一種在線更新目標(biāo)程序的方法及系統(tǒng)。待更新的目標(biāo)程序經(jīng)由以太網(wǎng)傳輸鏈路發(fā)送至包含F(xiàn)PGA的傳輸節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)PGA通過SPI協(xié)議，將目標(biāo)程序?qū)懭雈lash；重新上電后，F(xiàn)PGA從flash中讀取新的目標(biāo)程序，完成目標(biāo)程序在線更新。該方法支持單個節(jié)點(diǎn)的更新及多個節(jié)點(diǎn)批量更新，具有良好的工程應(yīng)用價值。

水聲通信系統(tǒng)；FPGA；目標(biāo)程序；SPI協(xié)議；在線更新

通常情況下，F(xiàn)PGA必須在上電階段，從外部存儲器讀取目標(biāo)程序，加載配置后才能運(yùn)行。對于目標(biāo)程序的在線更新，意味著在FPGA正常運(yùn)行期間，通過FPGA自身或者其他控制器去主動修改外部存儲器的內(nèi)容；待下次重新上電后，F(xiàn)PGA才能加載配置更新后的目標(biāo)程序。本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，給出了一種以太網(wǎng)作為傳輸鏈路，通過上位機(jī)在線更新目標(biāo)程序的方法和系統(tǒng)。

1　問題描述

在水聲通信系統(tǒng)中，傳輸節(jié)點(diǎn)示意如圖1所示，傳輸鏈路無法實(shí)現(xiàn)對FPGA目標(biāo)程序在線更新。本文描述的水聲通信系統(tǒng)由以太網(wǎng)作為傳輸鏈路連接各個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均具備中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能；工作狀態(tài)下，“節(jié)點(diǎn)1”的水聲信號經(jīng)由N-1級節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)；其余N-1個節(jié)點(diǎn)的水聲信號以此類推，最終，所有水聲信號由節(jié)點(diǎn)N傳至上位機(jī)。

圖1　傳輸節(jié)點(diǎn)示意圖

以Xilinx Spartan-3E系列FPGA為例進(jìn)行描述。通常情況，F(xiàn)PGA上電主動從Xilinx PROM中讀取目標(biāo)程序，加載配置后運(yùn)行。當(dāng)需要更新Xilinx PROM目標(biāo)程序時，將節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)件拆除，通過專用JTAG接口在Xilinx ISE環(huán)境下完成對目標(biāo)程序的更新，工作流程煩瑣，且無法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)N批量更新。根據(jù)文獻(xiàn)［1］所述，Xilinx Spartan-3E 系列FPGA支持第三方廠家生產(chǎn)的SPI（Serial Peripheral Interface）flash存儲目標(biāo)程序，替換Xilinx PROM功能。通過以太網(wǎng)傳輸鏈路將目標(biāo)程序通過SPI協(xié)議反向從FPGA寫入flash，待重新上電后，F(xiàn)PGA從flash中讀取新的目標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)在線更新的目標(biāo)，流程如圖2。

圖2　以太網(wǎng)更新程序操作步驟

2　SPI協(xié)議

當(dāng)使用SPI協(xié)議配置Xilinx FPGA，F(xiàn)PGA作為主設(shè)備，SPI flash作為從設(shè)備，如圖3所示。FPGA通過SCK時鐘控制時序，當(dāng)選通信號SS有效時，數(shù)據(jù)MOSI隨時鐘節(jié)拍從FPGA至flash；同一時鐘周期，數(shù)據(jù)MISO從flash至FPGA。

圖3　SPI配置框圖

FPGA上電后，主動從flash讀取目標(biāo)程序，加載配置后運(yùn)行。當(dāng)需要更新目標(biāo)程序時，F(xiàn)PGA通過傳輸鏈路接收目標(biāo)程序，以SPI協(xié)議對flash進(jìn)行擦除、讀寫操作，實(shí)現(xiàn)對flash內(nèi)容的更新。

3　MCS格式解析

支持第三方SPI flash的Xilinx FPGA目標(biāo)程序?yàn)镸CS格式。一個MCS目標(biāo)文件由多段記錄組成，每段記錄包含三部分：“9字符前綴”、“內(nèi)容”及“校驗(yàn)和”；其中“9字符前綴”為：1個字符“起始”（：）用于表征該段記錄的開始；2個字符“字節(jié)數(shù)”用于表征該段記錄的“內(nèi)容”所包含的字節(jié)數(shù)；4字節(jié)“地址”；2字節(jié)“記錄類型”［2，3］。

Xilinx FPGA目標(biāo)程序主要使用3類“記錄類型”，格式如圖4：Data Record，表示向flash寫入目標(biāo)程序；End of File Record，表示目標(biāo)程序結(jié)束；Extended Linear Address Record，設(shè)置偏置地址值。

圖4　記錄類型

一個MCS目標(biāo)程序先由“04- Extended Linear Address Record”設(shè)置flash存儲空間的偏置地址；隨后是若干段“00-Data Record”將每段的“內(nèi)容”寫入指定地址的flash存儲空間；接著由“04-Extended Linear Address Record”設(shè)置新的存儲空間的偏置地址；若干段“00-Data Record”寫入新偏置地址的flash存儲空間；最后，由“01-End of File Record”表示整個目標(biāo)程序結(jié)束。

4　流程控制

當(dāng)需要在線更新目標(biāo)程序時，首先上位機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送“擦除”指令給FPGA，F(xiàn)PGA收到指令對flash進(jìn)行擦除操作，擦除完成后反饋確認(rèn)信息給上位機(jī)；上位機(jī)收到確認(rèn)信息后，將待更新的目標(biāo)程序以段為單位發(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA解析后對flash進(jìn)行“寫入”操作，直至目標(biāo)程序結(jié)束；待FPGA完成所有“寫入”操作，進(jìn)行校驗(yàn)操作，讀取“寫入”的內(nèi)容，以段為單位回傳至上位機(jī)，上位機(jī)將收到的內(nèi)容與發(fā)送的目標(biāo)程序進(jìn)行比對，校驗(yàn)正確表明flash目標(biāo)程序更新成功。更新目標(biāo)流程如圖5所示。

圖5　更新目標(biāo)程序流程圖

5　結(jié)論

本文所述的以太網(wǎng)在線更新目標(biāo)程序的方法解決了水聲通信系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)FPGA目標(biāo)程序無法在線升級的問題。針對結(jié)構(gòu)封閉，不易拆裝的場合，在線升級目標(biāo)程序操作簡便實(shí)用，提高了代碼更新的效率，使得批量生產(chǎn)和維護(hù)變得容易，具備良好工程應(yīng)用價值。該方法已經(jīng)應(yīng)用于具體設(shè)備中。設(shè)計(jì)的在線更新方法，需要確保代碼更新期間設(shè)備保持供電，一旦操作過程掉電，將導(dǎo)致新的目標(biāo)程序“寫入”失敗，同時舊的程序已被“擦除”，必須重新通過JTAG下載程序。今后可以考慮外掛兩片flash，切換操作，保證掉電情況下，至少有目標(biāo)程序可以加載，直至更新成功。

［1］ Stephanie Tapp. Configuring Xilinx FPGAs with SPI Serial Flash［Z］. 2010.

［2］ Xilinx.PROMGen - Description of PROM/EEPROM file formats： MCS［Z］. 2012.

［3］ Xilinx. Spartan-3 Generation Configuration User Guide［Z］. 2009.