基于以太網接口的FPGA遠程在線升級實現

楊 冬 陳 君 李慶洪

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基于以太網接口的FPGA遠程在線升級實現

楊 冬 陳 君 李慶洪

中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060

從實際工程應用出發，提出了一種基于SRAM結構的FPGA遠程在線升級技術。利用以太網接口實現FPGA配置程序的遠程傳輸，再利用FPGA將接收到的配置程序燒寫于外置FLASH內，從而實現FPGA的不斷電遠程在線升級。

FPGA；在線升級；以太網

引言

基于FPGA的嵌入式系統在工業控制、消費電子和軍事裝備等領域已經得到了廣泛的應用。目前，主流FPGA大多采用SRAM工藝制造，因此采用此工藝的FPGA是易失的，FPGA掉電后數據將會全部丟失。因此需要外置FLASH保存FPGA配置數據[1]。FPGA每次上電后必須重新配置才能正常工作。外置的FLASH恰好為FPGA的在線升級提供了設備基礎，如果需要遠程在線更新FPGA的程序時，只需要利用FPGA外圍的接口接收目標配置文件，再將新的配置文件燒錄至外部FLASH即可實現FPGA的功能更新。本文以實際工程應用為背景，使用以太網傳輸目標配置文件，實現某公司內部廣泛分布于600畝范圍內的40多個視頻監控設備內部的Xilinx公司SPARTAN-6系列FPGA的在線升級。

1 總體方案設計

本工程中FPGA采用SPI的配置方式，FPGA上電主動從外置的FLASH中讀取目標程序，程序加載配置完成后運行。當需要更新FPGA的目標程序時，目前的常用方法是將FPGA設備開蓋，通過專用 JTAG口在Xilinx公司提供的專用開發環境下，使用IMPACT工具完成目標程序燒寫，整個工作流程繁瑣復雜。當設備處于狹小空間或遠程時，再使用上述的方法進行程序更新則會變得極其困難。如圖1所示，本方法中首先在PC電腦上將新的目標配置文件進行編輯和生成，生成完后利用以太網為傳輸鏈路，在視頻監控設備中以太網接口與FPGA相連，配置文件通過以太網傳輸至監控設備后由FPGA進行簡析，簡析完成后再將數據經由SPI方式發送至外部的FLASH。采用此方案進行在線更新可以實現設備的不斷電工作，并且更新過程中不需要進行任何拆卸工作。

圖1 以太網在線升級總體方案圖

2 控制流程設計

Xilinx公司的SRAM型FPGA支持第三方SPI配置的目標程序為MCS格式[2]。當需要在線更新FPGA程序時，上位機通過以太網線向視頻監控設備發送程序更新命令。如圖2所示，指令由FPGA接收解析后FPGA立即對外部FLASH進行擦除操作，當FLASH的擦除工作完成后反饋給上位機；上位機收到FPGA的反饋信息后，將待更新的目標程序以字節為單位通過打包后發送至FPGA，FPGA解析收到的數據后再次進行數據校驗，當校驗通過后表示此字節正確，再將收到的字節寫入外部FLASH，直到目標程序的所有字節傳輸并寫入完畢；當FPGA完成所有數據完成以后，再次進行校驗工作，從FLASH中讀取剛才寫入的數據，將讀取出的數據回傳至上位機，上位機將收到的數據與之前的MCS文件進行對比：如果校驗正確則表示寫FLASH的程序正確，反之則有錯誤，則需要再次進行配置。當FPGA完成了外部FLASH的重新配置以后還需要進行重新加載才能讓剛配置的目標文件生效，此時需要給FPGA的PROG_B管腳一個低脈沖，重新觸發FPGA再次進行程序加載，此時整個程序在線更新過程完成[3]。

圖2 遠程在線更新數據處理流程圖

3 系統實物圖

以Xilinx公司SPARTAN-6系列FPGA為載體，采用HALO千兆以太網接口搭建遠程在線升級驗證平臺。具體實物圖如圖3所示：

4 結束語

本文所述的基于以太網的FPGA在線升級技術解決了嵌入式系統內FPGA遠程在線更新的問題。該方法非常適合封閉、不易拆卸和遠程目標的在線升級，本方法簡便實用，具有良好的工程實用前景。目前該方法已經成功應用于某監控設備的在線更新系統中，具有較高的推廣價值。

[1]王靈芝，林培杰，黃春暉．FPGA的配置及其接口電路的設計[J]．電子測量與儀器學報，2007，21（2）：109-l12．

[2]Xilinx.PROMGen-Description of PROM／EEPROM file formats：MCS[Z]．2012．

[3]Spartan-6 FPGA Configuration User Guide[S]. UG380（V2.5）January 23，2013.

The remote online upgrade of the FPGA based on Ethernet interface

Yang Dong Chen Jun Li Qinghong

26thInstitute of China electronics technology group，Chongqing 400060

Based on the practical engineering application， this paper proposes a FPGA based on the structure of SRAM remote online upgrade technology. Using FPGA to realize the Ethernet interface configuration program of remote transmission，using FPGA will receive the configuration program written in the external FLASH burning，so as to realize the continuous electric remote online upgrade of FPGA.

FPGA；Online upgrade；Ethernet

TN791；TP273

A

1009-6434（2017）01-0141-02