基于千兆以太网的FPGA 远距离在线更新设计

文丰，韩冰，袁小康

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051）

一般情况下，FPGA 需要通过JTAG 接口，使用配套的下载线和上位机进行连接，来完成程序的更新。这种方法有很大的局限性，如一些产品的使用环境特殊，要求结构密封，这样就无法打开下载口更新程序。该文以此为出发点，介绍了一种由Flash、FPGA 和以太网组成的远距离在线更新系统。

Xilinx 7 系列FPGA 支持多重配置功能（即Reconfiguration and MultiBoot），具体划分有：主串模式、从串模式、主并模式、从并模式和SelectMAP 模式，MultiBoot 特性允许用户在不掉电重启的情况下，针对不同的功能需求，从存储于Flash 中的多个更新文件中选择其中的一个进行加载，便可实现FPGA 系统配置更新，完成对应的设计任务。这就为FPGA远距离更新带来极大的便捷性和操作性[1]。该文提出一种远距离更新方法，将待更新的配置文件编程到Flash，FPGA 将优先更新配置这些文件，实现在线更新。

1 原理简述

1.1 硬件框图

硬件设计框架如图1 所示，主要可分为FPGA 控制,以太网传输和Flash 存储，以太网选用Marvell 的88E1111 芯片，它的功能主要是把上位机下发的指令和更新程序数据传输给FPGA，FPGA 选择Xilinx公司的XC7A100T 芯片，7 系列芯片采用28 nm 加工工艺，集成度高、价格低廉、功耗控制较好。Flash 采用Micron 生产的N25Q128A，该芯片通过SPI 总线与FPGA 通信，内存大小为128 MB。FPGA 收到配置文件后，通过SPI 读写将配置文件写入Flash 指定的存储空间[2]。

图1 总体结构框图

1.2 FPGA内部处理框图

以太网接口选用TCP/IP 通信协议，进行上位机与FPGA 两者之间的通信。以太网接口在很多方面与Flash 接口存在不同，例如传输的速率和数据位宽等，因此选择加入FIFO，用来存放缓存数据以及中转位宽，FPGA 内部更新结构设计如图2 所示，由以太网接口、FIFO、SPI 接口三部分组成[3]。就传输速度来说，以太网相对更快，所以传完一整包数据后，需等待FIFO 中缓存的数据存到Flash中，再传下一包数据。

图2 FPGA处理框图

1.3 SPI接口

该文选用的SPI 协议支持的是主串模式，这种模式的优点是操作简单，实用性强，占用空间小，资源利用率高。当配置FPGA 选择主串模式时，主设备选择FPGA，从设备选择Flash，SPI接口配置图如图3所示。

图3 SPI接口配置图

SPI 接口是一种高速的、全双工、同步、串行的数据总线，FPGA 通过Flash_clk，Flash_cs，Flash_datain和Flash_dataout4 条信号线来控制与Flash 之间的数据传输[5]。其中Flash_clk 是时钟信号，FPGA 通过控制Flash_clk 信号来控制通信时序。Flash_cs 的作用是片选功能，起作用时电平为低，当Flash 处于选中状态时，写入FPGA 的操作指令和数据信息就会通过Flash_datain 传输到Flash中，同时Flash_dataout 读取Flash 的信息并发送到FPGA 上。

2 Flash地址空间及配置文件跳转

FPGA 远距离更新配置文件分为Golden 配置文件和Multiboot 配置文件。其中，Golden 文件远程更新时不对它操作。Multiboot 文件则是由用户定义的，用来实现系统主要功能(即FPGA 功能)的配置程序，远程更新时只对它进行操作[7]。程序重新加载切换更新框图如图4 所示。

图4 配置文件跳转框图

Flash 芯片内部地址如图5 所示。

图5 Flash芯片内部地址

FPGA 更新结束后，可以正常工作的前提：1）Flash 中指定的地址空间放置着相应的配置文件；2）Golden配置文件能正确跳转到Multiboot配置文件[8]。

Flash 内部空间的最开始部分用来存储Golden配置文件，文件内包含在线更新功能和一些基础功能。而Multiboot 配置文件包含SPI 读写及远程更新接口，以及其余功能模块，存放在指定的地址空间；最后放置状态字，目的是验证Multiboot 配置文件是否准确完整。

3 功能实现

3.1 实现流程

远距离更新流程如图6 所示。

图6 远距离更新流程

远距离更新一开始，上位机先经过以太网接口下发“擦除”命令给FPGA，等待FPGA 得到指令后，马上擦除Flash 中的数据[9]，完成该操作后反馈“已擦除”状态给上位机。

在SPI 读写程序编写时，擦除时地址由低到高，写数据时地址由高到低，FPGA 加载Flash 数据时，最先检验同步字，检测正确后再加载其余配置数据。同步字在bin 文件头部，所以擦除时需先擦除同步字，避免先擦除其余配置数据由于同步字仍存在，FPGA 检测到同步字后一直等待加载，从而卡死。写数据时最后写入同步字，避免写数据时异常断电，由于同步字存在，FPGA 检测到同步字后一直等待加载，从而卡死[10]。

上位机为擦除完成状态后，就可以将需要传输的配置文件下发给FPGA，FPGA 将配置文件解析后“存入”Flash，直到配置文件传输完成[11]。

上位机下发配置文件时，由于FPGA配置SPI写数据时地址由高到低，FIFO 的半空标志应为256 字节，检测到半空标志后，进行页编程，写入256 字节数据。所以上位机发送配置文件时，首先发送配置文件最底部的256 字节数据，256 字节组成一帧，接着传输配置文件，由下往上发送数据信息，直到传输完所有数据[12]。

上位机软件发送完配置文件后，自动读取FPGA设备中Flash 的配置文件，并与下发的配置文件进行比对，如果文件内容一样，则证明下发配置文件正确，如果不一样，则提醒配置失败。

3.2 多重配置设计

多重配置特性使FPGA 能够从Flash 中的指定地址有选择地加载bit流文件，将热启动地址（WBSTAR）和内部程序（IPROG）命令嵌入到bit 流文件中。内部生成的脉冲（IPROG）启动配置逻辑在热启动地址寄存器（Warm Boot Start AddRess）WBSTAR 中指定的地址位置跳转到更新bit 流文件，并尝试加载更新文件。如果在更新文件加载过程中检测到配置错误，则会触发Fallback 加载Golden 文件。

Golden 文件存储在Flash 0 地址中，Multiboot 更新文件存储在WBSTAR 寄存器指定的地址中[13]。当WBSTAR 设置为默认值以外的任何地址值时，IPROG 会自动嵌入到bit流中。

3.3 Vivado约束文件配置

打开约束文件，将以下内容复制到Golden 文件的约束文件中并保存。

set_propertyCFGBVS VCCO [current_design]（根据FPGA 连接情况进行设置）

set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]（根据FPGA 连接情况进行设置）set_property BITSTREAM.GENERAL.CO MPRESS TRUE[current_design]（bit流压缩）

set_pr-operty BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRA TE40[curr-ent_design]（配置速度）

set_property CONFIG_MODE SPIx1[current_de sign]（X1 模式）

set_property BITST REAM.CONFIG.SPI_BUSW IDTH 1[current_design]（X1 模式）

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFI GFA LLBACK ENABLE[current_design]

（配置FPGA 失败后可跳转）

set_property BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONF IG_ADDR 0x0300000[current_design]

（配置跳转位置，暂定3 MB，可以根据bin 文件大小需求进行更改，但需与程序中SPI—Flash 模块设置一致）set_property BITSTREAM.CONFIG.TIMER_CFG 0x00 0F4240 [current_design]（设置看门狗时间，一个时钟4 000 ns，暂设置为4 s，可根据不同PROM 设置）

同理，将上述内容中配置地址语句去掉，然后复制到Multiboot 约束文件中并保存。最后将bit 文件生成mcs 文件下载到Flash 即可[14]。

4 验证方法

4.1 上位机配置Multiboot文件正常测试

选择配置文件并打开配置FPGA，结束后，将设备断电并重新上电，观察设备是否能正常工作，若能正常工作，则代表上位机软件配置FPGA 成功[15]。更新过程中，上位机界面如图7-9 所示。

图7 擦除Flash界面

4.2 上位机配置Multiboot文件异常情况测试

4.2.1 擦除时断电异常情况测试

图9 配置完成界面

上位机软件在图7 配置文件擦除任意时刻时，将设备断电并重新上电，上位机重新单击“配置FPGA”按钮，按4.1 节的步骤进行操作，若上位机能配置FPGA，且弹出“配置FPGA 结束”提示框，则证明当Multiboot 代码配置文件被擦除后，设备能自动跳转并调用Golden 代码配置文件。

4.2.2 配置时断电异常情况测试

上位机软件在图8 配置文件配置任意时刻时，将设备断电并重新上电，上位机重新单击“配置FPGA”按钮，按4.1 节的步骤进行操作，若上位机能配置FPGA 且弹出“配置FPGA 结束”提示框，则证明当Multiboot 代码配置文件被擦除后或者未写完时，设备能自动跳转并调用Golden 代码配置文件。

图8 配置FPGA界面

经验证，两种异常情况下，设备均能自动跳转并调用Golden 代码配置文件。

5 结论

该文介绍的远距离在线更新方法，以Flash 和FPGA 主串模式配置为基础，通过对FPGA 配置流程、SPI 读写控制的研究，提出了该方案，经过实际测试，实现了远距离在线更新功能。克服了特殊环境下FPGA 程序无法在线更新的困难。对于密封结构，无法开盖的情况，在线更新程序流程简单、经济实用，使得程序更新的效率大大加快。该方法已经应用于具体设备中。另外，该方案的移植性强，如在LVDS，光纤等其他通信接口也可以很容易被应用，因此，在工程方面应用前景广阔。相比于之前的程序更新方法，为防止掉电导致更新失败，该方案加入了保护措施，进一步增加了在线更新的可靠性[16]。