文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.011
中文引用格式: 張永樂,,王永勇,,鄭煒. 一種基于FPGA的在線程序升級方案[J].電子技術應用,2017,,43(3):48-50,,54.
英文引用格式: Zhang Yongle,Wang Yongyong,,Zheng Wei. Scheme of a in-system program updating based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(3):48-50,,54.
0 引言
本文的研究課題是基于一種已應用在某型號上的彈載測試設備,因總體要求有變,,需要對出廠后的產(chǎn)品功能進行升級,。由于此類產(chǎn)品在出廠前都需要進行特殊的工藝處理,,產(chǎn)品交付后不具備開蓋重復燒錄程序的條件,且根據(jù)型號研制要求,,彈上設備在完成系統(tǒng)匹配試驗和綜合試驗后禁止拆卸維修,,因為設備拆卸后,狀態(tài)遭到破壞,,前期進行的各項試驗需要重新評估,,影響到型號研制進度。為解決這個難題,,本文提出了一種在線程序升級方案,,在不破壞產(chǎn)品硬件狀態(tài)的前提下,利用FPGA靈活的內(nèi)部邏輯資源實現(xiàn)自身的軟件功能升級,。
1 應用背景
隨著內(nèi)部資源的日趨豐富以及可重復配置的優(yōu)勢,,F(xiàn)PGA在測試設備中擔任了重要的角色,實現(xiàn)的功能也日趨復雜化和多樣化,,對產(chǎn)品功能實現(xiàn)重配置的應用需求也在日益加大,。產(chǎn)品功能重配置是在不改動設備硬件狀態(tài)的前提下,通過更新FPGA的程序文件,,達到產(chǎn)品功能更改及升級的方法,。目前主流的應用方案是使用MCU(或DSP)+存儲芯片的架構[1],MCU負責存儲芯片的讀寫,,存儲芯片作為FPGA的程序代碼存儲器,,產(chǎn)品上電后,MCU將存儲芯片中的數(shù)據(jù)讀出,,并按照特定時序(FPGA加載時序)發(fā)送到FPGA,,此過程即為FPGA的數(shù)據(jù)加載流程[2]。此方案不適用于本文的研究課題,,原因有二:首先,,此方案需額外增加MCU和存儲芯片兩個芯片,印制板的布局難度加大,,尤其對于本設備印制板上器件已經(jīng)很多并無多余空間的情況更加明顯,;其次,軟件的數(shù)量增多,,增加了MCU軟件后,,出故障的概率也隨之加大,由于MCU不僅需要對存儲芯片進行讀寫操作,,還需要對FPGA的上電加載過程進行模擬,,如果加載不成功,不僅產(chǎn)品的升級功能失敗,,產(chǎn)品的基本功能也隨之失效,,考慮到本產(chǎn)品的特殊應用場合,,此方案風險較大,不宜采用,。
本文采用的方案是在FPGA的內(nèi)部構建功能模塊,,由該模塊完成PROM芯片燒寫所需要的相關操作。在對產(chǎn)品進行軟件升級時,,該模塊執(zhí)行升級工作,,不需要進行升級時,模塊閑置,,不發(fā)揮作用,。該模塊與產(chǎn)品的原功能模塊獨立運行,互不干涉,。設備上電時,,F(xiàn)PGA的程序加載流程仍由自帶的PROM配置芯片自動完成。該方案既沒有額外增加芯片,,也沒有額外增加軟件個數(shù),,大大降低了出錯的風險。
2 功能實現(xiàn)
設備的系統(tǒng)連接框圖如圖1所示,,設備通過RS-422接口與地面測控臺連接,,地面測控臺通過網(wǎng)絡通信接口與計算機連接。測試設備的主控芯片F(xiàn)PGA為XILINX公司的Virtex-4系列XC4VSX35芯片,,PROM配置芯片型號為XCF32PFSG48C,,存儲容量32 Mbit[3]。
計算機通過網(wǎng)絡接口將燒寫文件發(fā)送到測控臺,,測控臺通過RS-422接口將燒寫數(shù)據(jù)發(fā)送到設備,,設備通過RS-422接口向測控臺反饋狀態(tài)信息。下面分別從燒寫文件的生成,、測控臺與設備的通信協(xié)議,、FPGA與PROM的連接、FPGA軟件設計4個方面進行闡述,。
2.1 燒寫文件生成
XILINX設計工具(PROMGen)可生成多種格式的配置數(shù)據(jù)文件,,這些數(shù)據(jù)文件可以存儲在PROM中,也可以存儲在其他非易失性存儲芯片中[4],。配置文件的常用格式見表1,。
FPGA程序編寫完成,經(jīng)過ISE(ISE Design Suite 14.2)開發(fā)環(huán)境綜合實現(xiàn)后直接生成.bit編程文件,,該文件可由IMPACT工具通過編程器燒寫到PROM中,。.bit格式文件是二級制配置數(shù)據(jù)文件,包含了頭文件數(shù)據(jù),頭文件數(shù)據(jù)中包含PROM的相關信息,,用于控制PROM燒寫過程,,該格式文件適用于使用編程器燒寫,。.hex文件為ASCII碼PROM文件格式,,僅包含配置數(shù)據(jù),不包含頭文件等信息,,可使用PROMGen或iMPACT工具生成,,.hex文件為本文采用的文件格式。
2.2 設備通信協(xié)議
測控臺與設備通過RS-422連接,,采用異步串行通信,,波特率為921.6 kb/s,8 bit數(shù)據(jù)位,,1 bit奇校驗,,1 bit停止位。對于RS-422的物理層通信,,采用無校驗的方式,。發(fā)送與接收采取數(shù)據(jù)幀傳輸,表2以測控臺發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為例說明,。
表2中,,0xFD、0x55為幀頭,;指令類型0x02表示該指令為數(shù)據(jù)傳送指令,,其他指令類型在此不贅述;數(shù)據(jù)長度表示該幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)中包含的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù),,數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)個數(shù)可變,,數(shù)據(jù)長度0x00~0xFF表示數(shù)據(jù)區(qū)中實際數(shù)據(jù)個數(shù)0~255個;校驗和為數(shù)據(jù)區(qū)中所有數(shù)據(jù)(0~255個)的累加和,。
由于傳送的文件為“.hex”純數(shù)據(jù)文件,,文件中僅包含A~F、a~f,、0~9等三類字符,,對應十六進制數(shù)據(jù)分別為0x41~0x46,0x61~0x66,,0x30~0x39,,可確保幀頭數(shù)據(jù)0xFD、0x55在整個數(shù)據(jù)幀中的唯一性,,接收方可依此作為判斷每幀數(shù)據(jù)起始的依據(jù),。
2.3 接口實現(xiàn)
FPGA和PROM、JTAG的具體連接關系見圖2。
圖2中,,JTAG1下載口用于對FPGA進行在線調(diào)試和仿真,,JTAG2下載口用于對PROM進行程序燒寫。 FPGA的4個I/O口連接到JTAG2鏈,,在對PROM芯片進行程序燒寫時,,I/O 1~I/O 4為高阻態(tài),編程器通過JTAG2口對PROM進行程序燒寫,。燒寫完成后,,F(xiàn)PGA執(zhí)行程序,此程序中嵌入了對PROM的在線升級功能,,在需要對PROM芯片進行在線升級時,,I/O 1~I/O 4則分別模擬TCK、TMS,、TDI,、TDO管腳,由FPGA內(nèi)部邏輯實現(xiàn)JTAG時序控制功能,,對PROM進行擦除,、編程、校驗等操作,,完成PROM的程序升級,。
2.4 模塊組成
FPGA內(nèi)部由3個模塊組成,分別為422通信模塊,、中心控制模塊,、JTAG時序控制模塊,組成圖見圖3,。
422模塊與測控臺進行數(shù)據(jù)交互,,接收測控臺發(fā)送的程序數(shù)據(jù),并回復相應的狀態(tài)信息到測控臺,。JTAG模塊用于生成邊界掃描控制時序,,對PROM進行擦除、編程和校驗等相關操作,??刂颇K用于對422模塊和JTAG模塊進行協(xié)調(diào)控制,對422模塊接收到的數(shù)據(jù)進行校驗,,并判斷JTAG模塊當前的運行狀態(tài)后,,按照自定義的握手協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到JTAG模塊,同時將JTAG模塊回復的信息反饋到422模塊,。
2.5 模塊通信時序設計
控制模塊與JTAG模塊的連接見圖4,。
圖4中,重要信號說明如下:
EPV_CTRL:啟動擦除、編程,、校驗操作,;
RDY:準備好信號,JTAG模塊準備好接收數(shù)據(jù),;
LOAD:握手信號,,收到RDY為高將LOAD置高表示數(shù)據(jù)已就緒。
以上信號均為高有效,,通信時序見圖5,。
圖5中,控制模塊將EPV_CTRL信號置高,,等待RDY信號有效,當檢測到RDY信號為高后,,將LOAD信號置高,,同時將數(shù)據(jù)放在DATA線上,下一個CLK周期檢測到RDY變?yōu)榈?,則延遲一個周期,,在下下個周期將LOAD信號置低,LOAD信號和DATA線上數(shù)據(jù)至少保持2個CLK周期(注:DATA數(shù)據(jù)線上傳送的第一個字節(jié)為CRC校驗值,,相關說明見2.8節(jié)),。
2.6 JTAG模塊設計
下面重點介紹JTAG模塊的實現(xiàn)原理。
該模塊的主要功能是對PROM器件進行擦除,、編程和校驗操作,,每個步驟都是一些必要的指令序列去控制PROM執(zhí)行相應的動作。例如對PROM進行擦除操作,,需要首先發(fā)送指令將PROM置為ISP模式,,然后發(fā)送擦除指令,指定需要擦除的塊(BLOCK),,擦除開始后,,監(jiān)測是否有錯誤發(fā)生,直到擦除結束,。
JTAG模塊發(fā)送特定的指令去控制PROM,,實現(xiàn)不同的操作。指令的發(fā)送時序遵循IEEE1194.1邊界掃描協(xié)議,。邊界掃描協(xié)議最初是用于對芯片進行測試的,,通過在芯片內(nèi)部定義一個測試訪問口(Test Access Port,TAP),,以及專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試,,JTAG測試允許將多個器件串聯(lián)在一起,形成一個JTAG鏈,實現(xiàn)對各個器件的分別測試?,F(xiàn)今,,JTAG接口也常用于實現(xiàn)在線編程(In-System Programming,ISP),,對Flash等器件進行編程,。
完整的JTAG處理鏈由JTAG寄存器和TAP控制器組成[5]。JTAG寄存器包含了邊界掃描需要的所有指令,。TAP控制器主要包含一個狀態(tài)機,,對控制PROM編程需要的每個必要的步驟進行編碼, TCK上升沿時刻TMS的狀態(tài)值決定狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)流程,,包括數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)寄存器的流程和指令入指令寄存器的流程,。相關的狀態(tài)轉(zhuǎn)換原理可參閱參考文獻[5],此不贅述,。
2.7 編程操作
對PROM的編程包含擦除,、編程、校驗3個步驟,。
(1)擦除: 控制模塊將EPV_CTRL置高,, JTAG模塊擦除整片PROM,并讀取PROM的狀態(tài),,檢查完成狀態(tài)或錯誤狀態(tài),,完成擦除后,在下一個CLK時鐘上升沿將RDY置高,,并進入編程流程,。如擦除過程中有錯誤發(fā)生,ERROR被置高,,控制模塊必須通過RST復位JTAG模塊,,并將EPV_CTRL置高,再次嘗試擦除操作,。
(2)編程:擦除操作成功后,,JTAG模塊將RDY置高,表示該模塊已經(jīng)準備好接收編程數(shù)據(jù),,控制模塊將LOAD置高,,同時把數(shù)據(jù)送到DATA線上,同一個時鐘的下降沿,,JTAG模塊鎖存數(shù)據(jù),,下一個時鐘上升沿,JTAG模塊將RDY置低,,再下一個時鐘上升沿,,控制模塊將LOAD置低,。因JTAG模塊需要將數(shù)據(jù)按位串行移到PROM,所以控制模塊發(fā)完數(shù)據(jù)后,,至少需要等8個周期才能發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù),,發(fā)送新的數(shù)據(jù)前需要首先監(jiān)控RDY信號的狀態(tài)。
控制模塊每發(fā)送完256 bit的數(shù)據(jù)后,,PROM對這些數(shù)據(jù)進行Flash編程,,約需15 μs,控制模塊需要延遲等待,。在編程期間,,模塊監(jiān)測PROM的狀態(tài)查看是否有問題發(fā)生,控制模塊發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)到JTAG模塊后,,將EPV_CTRL置低,,JTAG模塊將最后256 bit的數(shù)據(jù)傳送到PROM,若沒有錯誤,,進入校驗操作,。
(3)校驗:控制模塊將EPV_CTRL置低后,JTAG模塊將最后一批數(shù)據(jù)發(fā)送到PROM,,開始進入校驗流程,JTAG模塊讀取PROM中的所有數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行8 bit CRC校驗,,并與.hex文件的CRC校驗值進行比較,,如果不相等,將ERROR置高,,DONE保持低,,如果相等,則DONE置高,,所有連接到JTAG口的I/O管腳高阻態(tài),,校驗結束。
2.8 數(shù)據(jù)校驗
為保證燒寫過程的可靠性及抗干擾性,,必須對燒寫數(shù)據(jù)進行校驗,,校驗措施如下:
(1)在設備與地面測控臺的422通信幀尾加入校驗字,對每幀數(shù)據(jù)進行累加和校驗,,保證幀數(shù)據(jù)的完整性及正確性,;
(2)由于生成的.hex文件為純配置數(shù)據(jù),不包含文件的校驗信息,,為保證燒寫過程的完整性,,對整個文件進行數(shù)據(jù)校驗,在.hex文件頭插入該數(shù)據(jù)文件所有字節(jié)的CRC8校驗值,,在燒寫完成后,,將PROM中的數(shù)據(jù)全部讀出并進行CRC8校驗運算,,若與文件頭的CRC8校驗值相等,則表明燒寫操作成功,。
3 設計注意要點
圖2中FPGA的I/O口與PROM在同一個JTAG鏈,,在進行程序升級時,此JTAG鏈(JTAG2)不能連接編程器,。
本方案中對PROM的內(nèi)容進行更新是從地址0順序進行的,,此更新并不改變PROM內(nèi)部的設置寄存器(setup registers)的值,僅改變PROM中數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容,。
4 結論
本文基于FPGA靈活的重配置功能,,提出了一種對PROM進行程序升級的方案,該方案簡單高效,,所有功能均在FPGA內(nèi)部實現(xiàn),,硬件上僅需要使用FPGA的4個I/O口去模擬JTAG接口時序,實現(xiàn)對PROM內(nèi)部的數(shù)據(jù)更新,。另外,,通信過程中的幀校驗及CRC校驗,確保了數(shù)據(jù)的正確性及高可靠性,。目前該方案已成功應用到系列產(chǎn)品上,。
參考文獻
[1] Mike Peattie.Using a microprocessor to configure Xilinx FPGAs via slave serial or select MAP mode[EB/OL].[2009-8-24].www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp502.pdf.
[2] 陳嵐,李紀云,,朱人杰.基于Kintex7和SPI Flash實現(xiàn)FPGA
的多重加載[J].電子技術應用,,2014,40(6):24-26.
[3] XILINX.Platform flash in-system programmable configuration PROMS data sheet[EB/OL].[2006-05-09].http:www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds123.pdf.
[4] XILINX.Virtex-4 FPGA configuration user guide[EB/OL].[2009-06-09].http:www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug071.pdf.
[5] Randal Kuramoto.Updating a platform Flash PROM design revision in-system using SVF[EB/OL].[2009-09-15].http:www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp972.pdf.
作者信息:
張永樂,,王永勇,,鄭 煒
(北京航天萬源科技有限公司,北京100176)