以Flash控制器為核心的FPGA在線更新功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程介紹

0 引言

近些年來，由于其靈活可配置性及成本的降低，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，不論產(chǎn)品的初期研發(fā)或是后期維護(hù)都不可避免地需要頻繁更新FPGA程序。傳統(tǒng)的JTAG方式更新FPGA程序的方式是通過開發(fā)軟件將需固化的文件寫入Nor Flash器件。當(dāng)系統(tǒng)很復(fù)雜且需要更新的FPGA數(shù)量較多時，JTAG方式更新FPGA程序則費(fèi)時費(fèi)力且還需拆結(jié)構(gòu)。若在FPGA內(nèi)部通過邏輯代碼搭建一Flash控制器實(shí)現(xiàn)對Flash器件的讀寫操作，即可并行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)每片F(xiàn)PGA對配置文件的在線更新，大大縮短程序固化時間。本文依托于Xilinx公司的FPGA和Spasion公司的Nor Flash，詳細(xì)介紹了Flash控制器設(shè)計(jì)和在線加載功能的實(shí)現(xiàn)方法。

1 FPGA配置方式

以Xilinx Virtex6 系列FPGA為例，對配置文件的加載方式有串行Flash、并行Flash、JTAG方式等，其中最常用的是并行Flash方式（Byte Peripheral Interface Parallel Flash Mode，BPI），其配置模式如圖1所示。

一種實(shí)際的FPGA與Nor Flash硬線連接方式如圖2所示。

無論是通過JTAG方式還是通過軟件操作實(shí)現(xiàn)程序更新，都是通過控制這些讀寫使能信號及地址線實(shí)現(xiàn)配置文件的寫入，F(xiàn)PGA掉電重啟之后再從Flash取出配置數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)加載。本文提出的FPGA在線更新程序的方式則是通過FPGA控制邏輯驅(qū)動Flash的數(shù)據(jù)和地址，從而為多塊FPGA并行更新程序的實(shí)現(xiàn)提供了前提。

2 Flash控制器設(shè)計(jì)

Flash器件的基本操作包括讀、寫、擦除等，這些操作都是通過向相應(yīng)的命令寄存器寫入特定的指令來實(shí)現(xiàn)的，這些指令的寫入通過操作與FPGA相連的片選信號（ce_n）、寫使能信號（we_n）、讀使能信號（oe_n）、地址總線（addr［23:0］）和數(shù)據(jù)總線（dq［15:0］）實(shí)現(xiàn)。

以目前市場上常用的Spasion公司的S29GL-P系列Nor Flash為例，通過FPGA實(shí)現(xiàn)的控制器外部接口如圖3所示。

其中，start信號用于啟動控制器模塊對Flash器件實(shí)現(xiàn)讀寫操作，在啟動之前，須先告知Flash配置文件大小和配置文件在Flash存儲空間的首地址；data_req、data_in和rd_data_count信號用于與一前端FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，配置文件先緩存到FIFO中，然后由控制器負(fù)責(zé)取出并寫入Flash器件；config_status信號用于指示程序更新是否完成。

該Flash控制器按時間上的先后順序分別實(shí)現(xiàn)了對Flash器件的讀ID、擦除和寫緩沖操作，下面將分別進(jìn)行簡要敘述。

每次對Flash進(jìn)行基本的讀寫操作之前，會對Flash芯片進(jìn)行讀ID操作以檢驗(yàn)器件的好壞，讀ID涉及的主要操作為向特定寄存器寫入相應(yīng)的解鎖指令，然后再進(jìn)行多操作讀出相應(yīng)的寄存器值，其時序圖及讀結(jié)果如圖4所示。

確認(rèn)了芯片ID無誤，即可進(jìn)行正確訪問，首先對Flash芯片進(jìn)行擦除操作。Flash芯片擦除可分為兩種：整片擦除和扇區(qū)擦除。由于實(shí)際使用時并未用到整塊Flash存儲空間，而是根據(jù)配置文件的大小選擇合適的扇區(qū)大小存儲配置文件，所以設(shè)計(jì)中采用的是扇區(qū)擦除方式，時序如圖5所示。

當(dāng)成功寫入擦除操作指令之后，芯片會進(jìn)入一個較長的周期等待擦除操作的完成，該期間無法對芯片進(jìn)行復(fù)位之外的其他操作。

完成了擦除操作之后，即可向Flash寫入配置數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的寫緩沖時序如圖6所示。

擦除和讀寫的過程中，地址將進(jìn)行自動累加且起始地址可變。Flash的寫操作可為單字寫和緩沖寫兩種，由于緩沖寫最大一次可向Flash寫入32個字，為了最大化寫入速度，選擇緩沖寫方式；Flash的讀操作分為單字讀和按頁讀兩種，由于Flash讀數(shù)據(jù)速率較高且系統(tǒng)對讀速率沒有太高要求，本文選擇單字讀方式。

3 工程應(yīng)用及性能測試

以一實(shí)際項(xiàng)目工程為例，系統(tǒng)中具有10塊FPGA進(jìn)行程序更新，其在線加載功能系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

系統(tǒng)主控CPU運(yùn)行在Linux系統(tǒng)下，CPU通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信調(diào)試，同時通過PCIE或SRIO高速總線向每塊FPGA下發(fā)配置數(shù)據(jù)，最后再由Flash控制器完成數(shù)據(jù)的寫入。如前文所述，一次寫緩沖操作的數(shù)據(jù)量為32個字，而配置文件的大小有可能不是32個字的整數(shù)倍，所以還需要應(yīng)用軟件對配置文件進(jìn)行補(bǔ)齊操作。單個FPGA在線加載流程簡要敘述如圖8所示。

更新單塊FPGA程序時，以一實(shí)際測試的3.47 MB大小的配置文件為例，經(jīng)FPGA在線更新程序固化的時間和使用ISE14.7軟件JTAG方式固化的時間如表1所示。

Flash芯片手冊中給出的典型擦除和寫緩沖時間分別0.5 s和480 μs，則可計(jì)算出理論上3.47 MB大小的文件固化所需的典型時間約為41 s。由于器件等因素影響，實(shí)測時用時往往大于該時間，但總體來說，使用在線更新方式的耗時要比用JTAG方式耗時更少。

而當(dāng)更新系統(tǒng)中的10塊FPGA時，由于每塊FPGA均可同時進(jìn)行在線更新操作，程序固化所消耗的時間與單塊FPGA程序更新時間開銷大致相當(dāng)，可見并行在線更新方式相較于傳統(tǒng)JTAG方式無疑可以大大縮短時間。

4 配置文件不斷電加載和備份方法

每次更新完配置之后，通常做法是對FPGA進(jìn)行斷電重啟實(shí)現(xiàn)重新加載，但工程應(yīng)用時斷電可能會影響系統(tǒng)其他模塊的正常工作。為使FPGA在不斷電的情況下自動加載更新完的配置程序，可通過配置FPGA芯片的PROGRAM_B信號來實(shí)現(xiàn)，BPI模式下的時序如圖9所示。

考慮到若在配置過程中FPGA發(fā)生斷電等異常，則Flash中的配置文件損壞，F(xiàn)PGA將無法實(shí)現(xiàn)加載，需要重新使用JTAG方式燒寫配置文件。為防止該種情況發(fā)生，可分配Flash的一塊區(qū)域用于備份配置文件，發(fā)生FPGA無法正常加載的異常時，可讀取該備份配置文件實(shí)現(xiàn)FPGA再次正常加載，但前提是該部分Flash存儲空間預(yù)先固化了帶有FPGA在線更新功能的程序。

5 結(jié)論

本文利用FPGA邏輯設(shè)計(jì)了一款Flash控制器，實(shí)現(xiàn)了FPGA在線更新功能，由于FPGA直接操作Flash，因此相比傳統(tǒng)FPGA程序更新方法具有更新速度快、硬件電路精簡、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)多塊FPGA并行更新程序，大大節(jié)省了程序固化時間，便于項(xiàng)目前期開發(fā)及后期排故調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

［1］ Xilinx UG360，Virtex-6 FPGA configuration user guide［EB/OL］。［2015-11-18］.http：//www.xilinx.com.

［2］ Spansion.S29GL-P MirrorBit Flash family datasheet［EB/OL］。［2009-11-20］.http：//www.spansion.com.

［3］ 于樂，王嘉良。易于移植的FPGA在線更新控制器設(shè)計(jì)［J］。航空電子技術(shù)，2015（4）：47-50.

［4］ 楊鵬?；贚inux系統(tǒng)的FPGA芯片在線加載的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］。電子設(shè)計(jì)工程，2015（6）：161-164.