一種遠程在線(xiàn)更新FPGA程序的方法

1 概述
現場(chǎng)可編程門(mén)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(diǎn)，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內的配置數據將丟失，所以需要非易失的存儲器來(lái)結合FPGA完成嵌入式系統的設計。EPCS(Erasable Programmable Configurable Serial)Flash屬于串行接口Flash，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、配置方便的特點(diǎn)，通常用來(lái)存儲FPGA的配置文件和NiosII的軟件可執行代碼。在經(jīng)過(guò)合理的配置后，系統在上電后就可以從EPCSFlash中讀取這些文件來(lái)啟動(dòng)整個(gè)系統。
為了能使系統得到更靈活的應用，充分發(fā)揮FPGA的靈活性、高效性，FPGA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(guò)JTAG和NiosII IDE工具來(lái)聯(lián)合完成對EPCS Flash的更新燒寫(xiě)很不方便。為此，本文結合Altera公司提供的工具，提出了一種遠程在線(xiàn)更新FPGA配置文件和NiosII程序文件的方法。

2 系統硬件結構
系統硬件結構如圖1所示。系統主要有上位機系統、FPGA系統、EPCS Flash三個(gè)主體部分。上位機系統提供人機交互的部分，FPGA系統包括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。上位機系統通過(guò)FPGA集成的網(wǎng)絡(luò )及串行接口來(lái)完成通信工作。

FPGA采用Altera公司的CycloneIII系統的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(shí)鐘源，最高支持100 MHz的外部時(shí)鐘源，具有16 Mb的存儲空間，足夠滿(mǎn)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(gè)可以直接執行的、包含FPGA配置文件和NiosII程序文件的二進(jìn)制BIN文件。然后把該文件通過(guò)X-modem協(xié)議由上位機系統傳輸給NiosII的應用程序。NiosII的應用程序接收到完整的BIN文件后，把該BIN文件寫(xiě)入到EPCS Flash中。最后，Nios II的應用程序停止看門(mén)狗，程序重新啟動(dòng)，即完成了FPGA的遠程在線(xiàn)更新程序的過(guò)程。

4 合并程序文件
Nios II的啟動(dòng)要經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：
①FPGA器件本身的配置過(guò)程。如果內部邏輯中使用了NiosII，則配置完成的FPGA中包含有NiosII軟核CPU。
②NiosII本身的應用過(guò)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(kāi)始執行代碼。
Nios II IDE將FPGA的配置文件(．sof文件)和應用程序(．elf文件)轉成flash格式文件，轉換后的flash格式文件是一種S-Record格式數據，包含如下區域：type>length>address>data>checksum>。各字段的意思分別如下：type>表示記錄的類(lèi)型；length>表示數據的長(cháng)度；address>表示數據寫(xiě)入的起始地址，該字段的長(cháng)度取決于type>的取值；data>表示存儲的數據；checknum>表示校驗位。