一种远程在线更新FPGA程序的方法

1 概述
现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等优点，在航空航天、通信、工业控制等方面得到了大量应用。FPGA的处理器分为软核和硬核，并且软核处理器具有高度的灵活性和可配置性。
由于FPGA器件采用的是SRAM工艺，在断电的情况下FPGA内的配置数据将丢失，所以需要非易失的存储器来结合FPGA完成嵌入式系统的设计。EPCS(Erasable Programmable Configurable Serial)Flash属于串行接口Flash，具有接口简单、体积小、配置方便的特点，通常用来存储FPGA的配置文件和NiosII的软件可执行代码。在经过合理的配置后，系统在上电后就可以从EPCSFlash中读取这些文件来启动整个系统。
为了能使系统得到更灵活的应用，充分发挥FPGA的灵活性、高效性，FPGA的软硬件程序都需要方便的更新和升级功能；而当形成产品后，通过JTAG和NiosII IDE工具来联合完成对EPCS Flash的更新烧写很不方便。为此，本文结合Altera公司提供的工具，提出了一种远程在线更新FPGA配置文件和NiosII程序文件的方法。

2 系统硬件结构
系统硬件结构如图1所示。系统主要有上位机系统、FPGA系统、EPCS Flash三个主体部分。上位机系统提供人机交互的部分，FPGA系统包括NiosII处理器、EPCS控制器、网络及串行接口和其他外部接口，EPCSFlash主要用于存储FPGA的配置文件和Nios程序映像文件。上位机系统通过FPGA集成的网络及串行接口来完成通信工作。

FPGA采用Altera公司的CycloneIII系统的EP3C40F48417N芯片。它具有低功耗、高集成度、易于使用的特性。EPCS Flash采用Altera公司的EPCS16SI16N芯片，它支持多种可配置的时钟源，最高支持100 MHz的外部时钟源，具有16 Mb的存储空间，足够满足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存储需要。

3 更新程序处理流程
更新FPGA的配置文件和NiosII的应用程序的流程如图2所示。

本方法把由NiosII IDE生成的FPGA配置文件和NiosII程序文件合并，并编程为一个可以直接执行的、包含FPGA配置文件和NiosII程序文件的二进制BIN文件。然后把该文件通过X-modem协议由上位机系统传输给NiosII的应用程序。NiosII的应用程序接收到完整的BIN文件后，把该BIN文件写入到EPCS Flash中。最后，Nios II的应用程序停止看门狗，程序重新启动，即完成了FPGA的远程在线更新程序的过程。

4 合并程序文件
Nios II的启动要经历两个过程：
①FPGA器件本身的配置过程。如果内部逻辑中使用了NiosII，则配置完成的FPGA中包含有NiosII软核CPU。
②NiosII本身的应用过程。一旦FPGA配置成功后，NiosII就被逻辑中的复位电路复位，从reset地址开始执行代码。
Nios II IDE将FPGA的配置文件(．sof文件)和应用程序(．elf文件)转成flash格式文件，转换后的flash格式文件是一种S-Record格式数据，包含如下区域：type>length>address>data>checksum>。各字段的意思分别如下：type>表示记录的类型；length>表示数据的长度；address>表示数据写入的起始地址，该字段的长度取决于type>的取值；data>表示存储的数据；checknum>表示校验位。