0 引言

    本文的研究課題是基于一種已應(yīng)用在某型號(hào)上的彈載測(cè)試設(shè)備,，因總體要求有變，需要對(duì)出廠后的產(chǎn)品功能進(jìn)行升級(jí),。由于此類產(chǎn)品在出廠前都需要進(jìn)行特殊的工藝處理,，產(chǎn)品交付后不具備開蓋重復(fù)燒錄程序的條件,，且根據(jù)型號(hào)研制要求，彈上設(shè)備在完成系統(tǒng)匹配試驗(yàn)和綜合試驗(yàn)后禁止拆卸維修,，因?yàn)樵O(shè)備拆卸后,，狀態(tài)遭到破壞，前期進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)需要重新評(píng)估,，影響到型號(hào)研制進(jìn)度,。為解決這個(gè)難題，本文提出了一種在線程序升級(jí)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(shí)現(xiàn)自身的軟件功能升級(jí)。

1 應(yīng)用背景

    隨著內(nèi)部資源的日趨豐富以及可重復(fù)配置的優(yōu)勢(shì),，F(xiàn)PGA在測(cè)試設(shè)備中擔(dān)任了重要的角色,，實(shí)現(xiàn)的功能也日趨復(fù)雜化和多樣化，對(duì)產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)重配置的應(yīng)用需求也在日益加大,。產(chǎn)品功能重配置是在不改動(dòng)設(shè)備硬件狀態(tài)的前提下,，通過更新FPGA的程序文件，達(dá)到產(chǎn)品功能更改及升級(jí)的方法,。目前主流的應(yīng)用方案是使用MCU(或DSP)+存儲(chǔ)芯片的架構(gòu)^[1],，MCU負(fù)責(zé)存儲(chǔ)芯片的讀寫，存儲(chǔ)芯片作為FPGA的程序代碼存儲(chǔ)器,，產(chǎn)品上電后,，MCU將存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)讀出，并按照特定時(shí)序（FPGA加載時(shí)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(chǔ)芯片兩個(gè)芯片,，印制板的布局難度加大，尤其對(duì)于本設(shè)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(duì)存儲(chǔ)芯片進(jìn)行讀寫操作，還需要對(duì)FPGA的上電加載過程進(jìn)行模擬,，如果加載不成功,，不僅產(chǎn)品的升級(jí)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(yīng)用場(chǎng)合,，此方案風(fēng)險(xiǎn)較大,，不宜采用。

    本文采用的方案是在FPGA的內(nèi)部構(gòu)建功能模塊,，由該模塊完成PROM芯片燒寫所需要的相關(guān)操作,。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行軟件升級(jí)時(shí)，該模塊執(zhí)行升級(jí)工作,，不需要進(jìn)行升級(jí)時(shí),，模塊閑置，不發(fā)揮作用,。該模塊與產(chǎn)品的原功能模塊獨(dú)立運(yùn)行,，互不干涉,。設(shè)備上電時(shí),，F(xiàn)PGA的程序加載流程仍由自帶的PROM配置芯片自動(dòng)完成。該方案既沒有額外增加芯片,，也沒有額外增加軟件個(gè)數(shù),，大大降低了出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

    設(shè)備的系統(tǒng)連接框圖如圖1所示,，設(shè)備通過RS-422接口與地面測(cè)控臺(tái)連接,，地面測(cè)控臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)通信接口與計(jì)算機(jī)連接。測(cè)試設(shè)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(hào)為XCF32PFSG48C,，存儲(chǔ)容量32 Mbit^[3]。

    計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口將燒寫文件發(fā)送到測(cè)控臺(tái),，測(cè)控臺(tái)通過RS-422接口將燒寫數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備,，設(shè)備通過RS-422接口向測(cè)控臺(tái)反饋狀態(tài)信息。下面分別從燒寫文件的生成,、測(cè)控臺(tái)與設(shè)備的通信協(xié)議,、FPGA與PROM的連接、FPGA軟件設(shè)計(jì)4個(gè)方面進(jìn)行闡述,。

2.1 燒寫文件生成

    XILINX設(shè)計(jì)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(chǔ)在PROM中，也可以存儲(chǔ)在其他非易失性存儲(chǔ)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(shí)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(jí)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(guān)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(shè)備通信協(xié)議

    測(cè)控臺(tái)與設(shè)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(yàn),，1 bit停止位,。對(duì)于RS-422的物理層通信，采用無校驗(yàn)的方式,。發(fā)送與接收采取數(shù)據(jù)幀傳輸,，表2以測(cè)控臺(tái)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(zhǎng)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(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)個(gè)數(shù)可變,，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0x00~0xFF表示數(shù)據(jù)區(qū)中實(shí)際數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)0~255個(gè),；校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)區(qū)中所有數(shù)據(jù)（0~255個(gè)）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(duì)應(yīng)十六進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)

    FPGA和PROM,、JTAG的具體連接關(guān)系見圖2。

    圖2中，JTAG1下載口用于對(duì)FPGA進(jìn)行在線調(diào)試和仿真,，JTAG2下載口用于對(duì)PROM進(jìn)行程序燒寫,。 FPGA的4個(gè)I/O口連接到JTAG2鏈，在對(duì)PROM芯片進(jìn)行程序燒寫時(shí),，I/O 1~I/O 4為高阻態(tài),，編程器通過JTAG2口對(duì)PROM進(jìn)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(duì)PROM的在線升級(jí)功能，在需要對(duì)PROM芯片進(jìn)行在線升級(jí)時(shí),，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(shí)現(xiàn)JTAG時(shí)序控制功能，對(duì)PROM進(jìn)行擦除,、編程,、校驗(yàn)等操作,，完成PROM的程序升級(jí),。

2.4 模塊組成

    FPGA內(nèi)部由3個(gè)模塊組成，分別為422通信模塊,、中心控制模塊,、JTAG時(shí)序控制模塊，組成圖見圖3,。

    422模塊與測(cè)控臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,，接收測(cè)控臺(tái)發(fā)送的程序數(shù)據(jù)，并回復(fù)相應(yīng)的狀態(tài)信息到測(cè)控臺(tái),。JTAG模塊用于生成邊界掃描控制時(shí)序,，對(duì)PROM進(jìn)行擦除、編程和校驗(yàn)等相關(guān)操作,?？刂颇K用于對(duì)422模塊和JTAG模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對(duì)422模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),，并判斷JTAG模塊當(dāng)前的運(yùn)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(shí)將JTAG模塊回復(fù)的信息反饋到422模塊,。

2.5 模塊通信時(shí)序設(shè)計(jì)

    控制模塊與JTAG模塊的連接見圖4,。

    圖4中，重要信號(hào)說明如下：

    EPV_CTRL：?jiǎn)?dòng)擦除,、編程,、校驗(yàn)操作,；

    RDY：準(zhǔn)備好信號(hào)，JTAG模塊準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù),；

    LOAD：握手信號(hào),，收到RDY為高將LOAD置高表示數(shù)據(jù)已就緒。

    以上信號(hào)均為高有效,，通信時(shí)序見圖5,。

    圖5中，控制模塊將EPV_CTRL信號(hào)置高,，等待RDY信號(hào)有效,，當(dāng)檢測(cè)到RDY信號(hào)為高后，將LOAD信號(hào)置高,，同時(shí)將數(shù)據(jù)放在DATA線上,，下一個(gè)CLK周期檢測(cè)到RDY變?yōu)榈停瑒t延遲一個(gè)周期,，在下下個(gè)周期將LOAD信號(hào)置低,，LOAD信號(hào)和DATA線上數(shù)據(jù)至少保持2個(gè)CLK周期(注：DATA數(shù)據(jù)線上傳送的第一個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)值，相關(guān)說明見2.8節(jié)),。

2.6 JTAG模塊設(shè)計(jì)

    下面重點(diǎn)介紹JTAG模塊的實(shí)現(xiàn)原理,。

    該模塊的主要功能是對(duì)PROM器件進(jìn)行擦除、編程和校驗(yàn)操作,，每個(gè)步驟都是一些必要的指令序列去控制PROM執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,。例如對(duì)PROM進(jìn)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(cè)是否有錯(cuò)誤發(fā)生,，直到擦除結(jié)束。

    JTAG模塊發(fā)送特定的指令去控制PROM,，實(shí)現(xiàn)不同的操作,。指令的發(fā)送時(shí)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(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的,，通過在芯片內(nèi)部定義一個(gè)測(cè)試訪問口(Test Access Port,，TAP)，以及專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,，JTAG測(cè)試允許將多個(gè)器件串聯(lián)在一起,，形成一個(gè)JTAG鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件的分別測(cè)試。現(xiàn)今,，JTAG接口也常用于實(shí)現(xiàn)在線編程（In-System Programming,，ISP），對(duì)Flash等器件進(jìn)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(gè)狀態(tài)機(jī),，對(duì)控制PROM編程需要的每個(gè)必要的步驟進(jìn)行編碼,， TCK上升沿時(shí)刻TMS的狀態(tài)值決定狀態(tài)機(jī)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(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換原理可參閱參考文獻(xiàn)[5],，此不贅述。

2.7 編程操作

    對(duì)PROM的編程包含擦除,、編程,、校驗(yàn)3個(gè)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(cuò)誤狀態(tài),，完成擦除后,，在下一個(gè)CLK時(shí)鐘上升沿將RDY置高，并進(jìn)入編程流程,。如擦除過程中有錯(cuò)誤發(fā)生,，ERROR被置高，控制模塊必須通過RST復(fù)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(zhǔn)備好接收編程數(shù)據(jù),，控制模塊將LOAD置高,，同時(shí)把數(shù)據(jù)送到DATA線上，同一個(gè)時(shí)鐘的下降沿,，JTAG模塊鎖存數(shù)據(jù),，下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，JTAG模塊將RDY置低,，再下一個(gè)時(shí)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(gè)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(hào)的狀態(tài)。

    控制模塊每發(fā)送完256 bit的數(shù)據(jù)后,，PROM對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)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(cuò)誤,，進(jìn)入校驗(yàn)操作,。

    (3)校驗(yàn)：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(jìn)入校驗(yàn)流程,，JTAG模塊讀取PROM中的所有數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行8 bit CRC校驗(yàn)，并與.hex文件的CRC校驗(yàn)值進(jìn)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(yàn)結(jié)束,。

2.8 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

    為保證燒寫過程的可靠性及抗干擾性，必須對(duì)燒寫數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),，校驗(yàn)措施如下：

    (1)在設(shè)備與地面測(cè)控臺(tái)的422通信幀尾加入校驗(yàn)字,，對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行累加和校驗(yàn)，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(yàn)信息，為保證燒寫過程的完整性,，對(duì)整個(gè)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn),，在.hex文件頭插入該數(shù)據(jù)文件所有字節(jié)的CRC8校驗(yàn)值，在燒寫完成后,，將PROM中的數(shù)據(jù)全部讀出并進(jìn)行CRC8校驗(yàn)運(yùn)算,，若與文件頭的CRC8校驗(yàn)值相等,，則表明燒寫操作成功。

3 設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

    圖2中FPGA的I/O口與PROM在同一個(gè)JTAG鏈,，在進(jìn)行程序升級(jí)時(shí),，此JTAG鏈（JTAG2）不能連接編程器。

    本方案中對(duì)PROM的內(nèi)容進(jìn)行更新是從地址0順序進(jìn)行的,，此更新并不改變PROM內(nèi)部的設(shè)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(jié)論

    本文基于FPGA靈活的重配置功能,，提出了一種對(duì)PROM進(jìn)行程序升級(jí)的方案,，該方案簡(jiǎn)單高效，所有功能均在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn),，硬件上僅需要使用FPGA的4個(gè)I/O口去模擬JTAG接口時(shí)序,，實(shí)現(xiàn)對(duì)PROM內(nèi)部的數(shù)據(jù)更新。另外,，通信過程中的幀校驗(yàn)及CRC校驗(yàn),，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(yīng)用到系列產(chǎn)品上,。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳嵐,，李紀(jì)云，朱人杰.基于Kintex7和SPI Flash實(shí)現(xiàn)FPGA

     的多重加載[J].電子技術(shù)應(yīng)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)