沈瀟波 顏科峰 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種以太網在線更新FPGA目標程序的方法

沈瀟波 顏科峰 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

為了解決現有水聲通信系統(tǒng)中FPGA目標程序不能在線更新的問題，提供一種在線更新目標程序的方法及系統(tǒng)。待更新的目標程序經由以太網傳輸鏈路發(fā)送至包含FPGA的傳輸節(jié)點，FPGA通過SPI協議，將目標程序寫入flash；重新上電后，FPGA從flash中讀取新的目標程序，完成目標程序在線更新。該方法支持單個節(jié)點的更新及多個節(jié)點批量更新，具有良好的工程應用價值。

水聲通信系統(tǒng)；FPGA；目標程序；SPI協議；在線更新

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

1　問題描述

在水聲通信系統(tǒng)中，傳輸節(jié)點示意如圖1所示，傳輸鏈路無法實現對FPGA目標程序在線更新。本文描述的水聲通信系統(tǒng)由以太網作為傳輸鏈路連接各個節(jié)點，每個節(jié)點均具備中繼轉發(fā)功能；工作狀態(tài)下，“節(jié)點1”的水聲信號經由N-1級節(jié)點轉發(fā)至上位機；其余N-1個節(jié)點的水聲信號以此類推，最終，所有水聲信號由節(jié)點N傳至上位機。

圖1　傳輸節(jié)點示意圖

以Xilinx Spartan-3E系列FPGA為例進行描述。通常情況，FPGA上電主動從Xilinx PROM中讀取目標程序，加載配置后運行。當需要更新Xilinx PROM目標程序時，將節(jié)點結構件拆除，通過專用JTAG接口在Xilinx ISE環(huán)境下完成對目標程序的更新，工作流程煩瑣，且無法實現節(jié)點1至節(jié)點N批量更新。根據文獻［1］所述，Xilinx Spartan-3E 系列FPGA支持第三方廠家生產的SPI（Serial Peripheral Interface）flash存儲目標程序，替換Xilinx PROM功能。通過以太網傳輸鏈路將目標程序通過SPI協議反向從FPGA寫入flash，待重新上電后，FPGA從flash中讀取新的目標程序，實現在線更新的目標，流程如圖2。

圖2　以太網更新程序操作步驟

2　SPI協議

當使用SPI協議配置Xilinx FPGA，FPGA作為主設備，SPI flash作為從設備，如圖3所示。FPGA通過SCK時鐘控制時序，當選通信號SS有效時，數據MOSI隨時鐘節(jié)拍從FPGA至flash；同一時鐘周期，數據MISO從flash至FPGA。

圖3　SPI配置框圖

FPGA上電后，主動從flash讀取目標程序，加載配置后運行。當需要更新目標程序時，FPGA通過傳輸鏈路接收目標程序，以SPI協議對flash進行擦除、讀寫操作，實現對flash內容的更新。

3　MCS格式解析

支持第三方SPI flash的Xilinx FPGA目標程序為MCS格式。一個MCS目標文件由多段記錄組成，每段記錄包含三部分：“9字符前綴”、“內容”及“校驗和”；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”用于表征該段記錄的“內容”所包含的字節(jié)數；4字節(jié)“地址”；2字節(jié)“記錄類型”［2，3］。

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

圖4　記錄類型

一個MCS目標程序先由“04- Extended Linear Address Record”設置flash存儲空間的偏置地址；隨后是若干段“00-Data Record”將每段的“內容”寫入指定地址的flash存儲空間；接著由“04-Extended Linear Address Record”設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”表示整個目標程序結束。

4　流程控制

當需要在線更新目標程序時，首先上位機通過以太網發(fā)送“擦除”指令給FPGA，FPGA收到指令對flash進行擦除操作，擦除完成后反饋確認信息給上位機；上位機收到確認信息后，將待更新的目標程序以段為單位發(fā)送至FPGA，FPGA解析后對flash進行“寫入”操作，直至目標程序結束；待FPGA完成所有“寫入”操作，進行校驗操作，讀取“寫入”的內容，以段為單位回傳至上位機，上位機將收到的內容與發(fā)送的目標程序進行比對，校驗正確表明flash目標程序更新成功。更新目標流程如圖5所示。

圖5　更新目標程序流程圖

5　結論

本文所述的以太網在線更新目標程序的方法解決了水聲通信系統(tǒng)中節(jié)點FPGA目標程序無法在線升級的問題。針對結構封閉，不易拆裝的場合，在線升級目標程序操作簡便實用，提高了代碼更新的效率，使得批量生產和維護變得容易，具備良好工程應用價值。該方法已經應用于具體設備中。設計的在線更新方法，需要確保代碼更新期間設備保持供電，一旦操作過程掉電，將導致新的目標程序“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.