基于以太网接口的FPGA远程在线升级实现

杨 冬 陈 君 李庆洪



基于以太网接口的FPGA远程在线升级实现

杨 冬 陈 君 李庆洪

中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060

从实际工程应用出发，提出了一种基于SRAM结构的FPGA远程在线升级技术。利用以太网接口实现FPGA配置程序的远程传输，再利用FPGA将接收到的配置程序烧写于外置FLASH内，从而实现FPGA的不断电远程在线升级。

FPGA；在线升级；以太网

引言

基于FPGA的嵌入式系统在工业控制、消费电子和军事装备等领域已经得到了广泛的应用。目前，主流FPGA大多采用SRAM工艺制造，因此采用此工艺的FPGA是易失的，FPGA掉电后数据将会全部丢失。因此需要外置FLASH保存FPGA配置数据[1]。FPGA每次上电后必须重新配置才能正常工作。外置的FLASH恰好为FPGA的在线升级提供了设备基础，如果需要远程在线更新FPGA的程序时，只需要利用FPGA外围的接口接收目标配置文件，再将新的配置文件烧录至外部FLASH即可实现FPGA的功能更新。本文以实际工程应用为背景，使用以太网传输目标配置文件，实现某公司内部广泛分布于600亩范围内的40多个视频监控设备内部的Xilinx公司SPARTAN-6系列FPGA的在线升级。

1 总体方案设计

本工程中FPGA采用SPI的配置方式，FPGA上电主动从外置的FLASH中读取目标程序，程序加载配置完成后运行。当需要更新FPGA的目标程序时，目前的常用方法是将FPGA设备开盖，通过专用 JTAG口在Xilinx公司提供的专用开发环境下，使用IMPACT工具完成目标程序烧写，整个工作流程繁琐复杂。当设备处于狭小空间或远程时，再使用上述的方法进行程序更新则会变得极其困难。如图1所示，本方法中首先在PC电脑上将新的目标配置文件进行编辑和生成，生成完后利用以太网为传输链路，在视频监控设备中以太网接口与FPGA相连，配置文件通过以太网传输至监控设备后由FPGA进行简析，简析完成后再将数据经由SPI方式发送至外部的FLASH。采用此方案进行在线更新可以实现设备的不断电工作，并且更新过程中不需要进行任何拆卸工作。

图1 以太网在线升级总体方案图

2 控制流程设计

Xilinx公司的SRAM型FPGA支持第三方SPI配置的目标程序为MCS格式[2]。当需要在线更新FPGA程序时，上位机通过以太网线向视频监控设备发送程序更新命令。如图2所示，指令由FPGA接收解析后FPGA立即对外部FLASH进行擦除操作，当FLASH的擦除工作完成后反馈给上位机；上位机收到FPGA的反馈信息后，将待更新的目标程序以字节为单位通过打包后发送至FPGA，FPGA解析收到的数据后再次进行数据校验，当校验通过后表示此字节正确，再将收到的字节写入外部FLASH，直到目标程序的所有字节传输并写入完毕；当FPGA完成所有数据完成以后，再次进行校验工作，从FLASH中读取刚才写入的数据，将读取出的数据回传至上位机，上位机将收到的数据与之前的MCS文件进行对比：如果校验正确则表示写FLASH的程序正确，反之则有错误，则需要再次进行配置。当FPGA完成了外部FLASH的重新配置以后还需要进行重新加载才能让刚配置的目标文件生效，此时需要给FPGA的PROG_B管脚一个低脉冲，重新触发FPGA再次进行程序加载，此时整个程序在线更新过程完成[3]。

图2 远程在线更新数据处理流程图

3 系统实物图

以Xilinx公司SPARTAN-6系列FPGA为载体，采用HALO千兆以太网接口搭建远程在线升级验证平台。具体实物图如图3所示：

4 结束语

本文所述的基于以太网的FPGA在线升级技术解决了嵌入式系统内FPGA远程在线更新的问题。该方法非常适合封闭、不易拆卸和远程目标的在线升级，本方法简便实用，具有良好的工程实用前景。目前该方法已经成功应用于某监控设备的在线更新系统中，具有较高的推广价值。

[1]王灵芝，林培杰，黄春晖．FPGA的配置及其接口电路的设计[J]．电子测量与仪器学报，2007，21（2）：109-l12．

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

[3]Spartan-6 FPGA Configuration User Guide[S]. UG380（V2.5）January 23，2013.

The remote online upgrade of the FPGA based on Ethernet interface

Yang Dong Chen Jun Li Qinghong

26thInstitute of China electronics technology group，Chongqing 400060

Based on the practical engineering application， this paper proposes a FPGA based on the structure of SRAM remote online upgrade technology. Using FPGA to realize the Ethernet interface configuration program of remote transmission，using FPGA will receive the configuration program written in the external FLASH burning，so as to realize the continuous electric remote online upgrade of FPGA.

FPGA；Online upgrade；Ethernet

TN791；TP273

A

1009-6434（2017）01-0141-02