FPGA固件如何进行在线升级?

原创 电子电路开发学习 2021-10-12 23:15

. FPGA也能在线升级?

以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA为例,这两家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPI Flash芯片中,常规的下载方式是使用专用的下载器,如Xilinx的Platfom Cable USB或者USB Blaster,通过JTAG将程序文件下载到外部的Flash芯片中,程序固化的过程本质上是对片外的Flash芯片进行固件更新。由此我们可以知道,当FPGA产品量产,需要大批量进行程序烧写时,只需要使用SPI Flash烧写器通过烧录座对Flash芯片进行烧写,烧写完成之后再焊接到板子上。

ZYNQ

本文介绍如何不通过JTAG口不使用专用下载器,仅仅通过普通管脚来进行固件更新,分享实现思路和设计方法,暂时还没有示例工程。

以Xilinx FPGA通过串口进行固件升级为例,所需要的软硬件为:

  • FPGA板卡(含外部SPI Flash),如Spartan-6系列XC6SLX9 FPGA+M25P16 SPI Flash

  • 专用的PC串口上位机,也可以使用通用的串口助手,自定义的串口助手会增强通讯的稳定性和可靠性

  • USB-TTL串口模块,用于FPGA和PC进行通讯

  • 专用的FPGA固件代码

整体大致流程为:FPGA内部串口解析模块接收上位机发来的固件程序,写入内部FIFO或RAM中进行缓存,然后通过SPI Flash控制器将缓存的数据写入外部的SPI Flash芯片中,简单的说FPGA就是充当了一个SPI Flash编程器的角色,完成UART-SPI协议的转换。

当然这里的串口也可以是其他接口,如USB、网口、SPI等等,比如通过网络调试助手更新固件,通过USB口更新固件,通过外部的单片机进行更新固件,通过读取SD卡文件进行更新固件等等,实现原理都是一样的!

串口在线升级原理

. FPGA程序文件结构

在进行设计之前,我们需要先了解一下FPGA的程序文件格式,以Xilinx FPGA程序文件为例,主要有两种文件格式:Bit文件和Mcs文件。

前者Bit文件通常用于调试,Bit文件会下载到FPGA芯片内部RAM空间,掉电程序会丢失,因为FPGA开发阶段需要频繁的进行程序的擦除烧写操作,这样的好处是程序下载速度非常快,不会消耗Flash芯片的寿命。

后者Mcs文件通常用于最后的程序发布,产品量产时使用,它可以由Bit文件文件生成,在生成过程中需要指定外部SPI Flash的存储大小。

关于这两种文件格式的介绍可以查看以下文章:

  • Xilinx Bit文件格式详解

  • Xilinx MCS(HEX)文件格式详解

Mcs文件其实本质上就是Hex文件,将后缀名改为hex后,可以通过文本编辑器进行查看,由Hex文件结构,我们只需要图中的黑色的数据部分,然后把这些数据按顺序发送给FPGA即可。

Hex文件

. 通讯协议设计

为了保证升级的稳定性,我们不使用通用的串口调试助手,通过自定义通讯协议和串口上位机,可以提高升级的可靠性。

串口通讯波特率通常为几百KBps,而SPI控制器读写频率通常为几十MHz,为了能将数据完整有序的接收、保存、写入,我们需要先将串口接收的数据存储到FPGA内部的FIFO中,作为缓存和跨时钟域处理。

串口上位机解析出Mcs文件中的数据部分,启动传输前,先发启动命令,然后发送数据帧,最后发送结束命令。

数据帧包括:帧头+256字节数据+CRC校验值。FPGA接收到数据之后,对数据进行校验,校验正确回复给上位机一个正确响应信号,校验错误回复错误响应信号,串口上位机接收到正确的响应信号后,继续发下一个数据帧,接收到错误的响应信号后,重复发上一帧数据,直到所有的数据发送完成,最后发送一个结束命令。这样就简单定义了一个发送-响应机制的通讯协议。

. SPI芯片数据写入

SPI数据的写入有两种方式:

  1. 每接收到一帧数据之后,对SPI执行一次写256字节操作

  2. 所有的数据接收完成后,一次性将数据写入外部的SPI Flash芯片。

方式1不需要开辟较大的FIFO空间对资源占用小,但是如果出现一些异常操作,如升级过程中出现异常操作,就会导致SPI Flash数据紊乱,固件升级失败,而且导致原始的固件被损坏,导致死机现象。

方式2需要开辟较大的FIFO空间,通常升级文件大小为几百KB,会占用较多资源,如果数据未接收完成出现异常,也不会对原始的SPI芯片内的固件造成损坏,不会导致死机情况。但是这样也会有一个小问题,就是在数据接收完成后,写SPI Flash期间,需要保持硬件稳定,不能干扰数据写入过程,如出现断电情况。

. SPI芯片擦除和校验

同理,为了保证程序能正常运行,在数据接收完成后,数据写入前,我们需要对SPI芯片执行全片擦除指令,这个擦除时间一般会比较长,通常和存储大小相关,擦除完成之后,再执行写入,写入完成之后,如果有必要,可以对指定存储区间进行数据回读,和接收到的数据进行比较,从而达到校验的目的。

. 总结

升级模块可以独立于应用逻辑,作为一个单独的功能,不会影响正常的代码逻辑。本文只是提供一个大致实现思路,如果要是做得非常完美,工作量还是很大的。当然串口只是一种升级方式,还可以通过SD卡升级,网口升级,USB升级,WiFi升级,外部控制器(如STM32)对FPGA进行程序更新等等。

FPGA固件升级

. 更多

  • 如何写出易于维护的Verilog代码

  • FPGA能进行断点调试吗?

  • 基于STM32的USB BlasterFPGA下载器

  • 低成本、开源的Xilinx HS-2下载器

  • 一文看懂I2C协议

  • 一文看懂SPI协议

  • 一文看懂Modbus协议

  • 串口通讯协议及其FPGA实现

  • 单工、半双工、全双工、异步和同步的区别

电子电路开发学习 单片机点灯小能手,电子行业从业者。开发板评测、嵌入式开源项目分享、学习笔记记录。可能不会经常更新,但每一篇都是精心编写。
评论 (0)
  •  万万没想到!科幻电影中的人形机器人,正在一步步走进我们人类的日常生活中来了。1月17日,乐聚将第100台全尺寸人形机器人交付北汽越野车,再次吹响了人形机器人疯狂进厂打工的号角。无独有尔,银河通用机器人作为一家成立不到两年时间的创业公司,在短短一年多时间内推出革命性的第一代产品Galbot G1,这是一款轮式、双臂、身体可折叠的人形机器人,得到了美团战投、经纬创投、IDG资本等众多投资方的认可。作为一家成立仅仅只有两年多时间的企业,智元机器人也把机器人从梦想带进了现实。2024年8月1
    刘旷 2025-01-21 11:15 722浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 199浏览
  • 飞凌嵌入式基于瑞芯微RK3562系列处理器打造的FET3562J-C全国产核心板,是一款专为工业自动化及消费类电子设备设计的产品,凭借其强大的功能和灵活性,自上市以来得到了各行业客户的广泛关注。本文将详细介绍如何启动并测试RK3562J处理器的MCU,通过实际操作步骤,帮助各位工程师朋友更好地了解这款芯片。1、RK3562J处理器概述RK3562J处理器采用了4*Cortex-A53@1.8GHz+Cortex-M0@200MHz架构。其中,4个Cortex-A53核心作为主要核心,负责处理复杂
    飞凌嵌入式 2025-01-24 11:21 75浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 165浏览
  • 数字隔离芯片是一种实现电气隔离功能的集成电路,在工业自动化、汽车电子、光伏储能与电力通信等领域的电气系统中发挥着至关重要的作用。其不仅可令高、低压系统之间相互独立,提高低压系统的抗干扰能力,同时还可确保高、低压系统之间的安全交互,使系统稳定工作,并避免操作者遭受来自高压系统的电击伤害。典型数字隔离芯片的简化原理图值得一提的是,数字隔离芯片历经多年发展,其应用范围已十分广泛,凡涉及到在高、低压系统之间进行信号传输的场景中基本都需要应用到此种芯片。那么,电气工程师在进行电路设计时到底该如何评估选择一
    华普微HOPERF 2025-01-20 16:50 130浏览
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 367浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 148浏览
  • 故障现象 一辆2007款日产天籁车,搭载VQ23发动机(气缸编号如图1所示,点火顺序为1-2-3-4-5-6),累计行驶里程约为21万km。车主反映,该车起步加速时偶尔抖动,且行驶中加速无力。 图1 VQ23发动机的气缸编号 故障诊断接车后试车,发动机怠速运转平稳,但只要换挡起步,稍微踩下一点加速踏板,就能感觉到车身明显抖动。用故障检测仪检测,发动机控制模块(ECM)无故障代码存储,且无失火数据流。用虹科Pico汽车示波器测量气缸1点火信号(COP点火信号)和曲轴位置传感器信
    虹科Pico汽车示波器 2025-01-23 10:46 92浏览
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 196浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 730浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦