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本文以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA為例，這兩家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPI Flash芯片中，常規(guī)的下載方式是使用專用的下載器，如Xilinx的Platfom Cable USB或者USB Blaster，通過JTAG將程序文件下載到外部的Flash芯片中，程序固化的過程本質(zhì)上是對(duì)片外的Flash芯片進(jìn)行固件更新。

由此，我們可以知道，當(dāng)FPGA產(chǎn)品量產(chǎn)，需要大批量進(jìn)行程序燒寫時(shí)，只需要使用SPI Flash燒寫器通過燒錄座對(duì)Flash芯片進(jìn)行燒寫，燒寫完成之后再焊接到板子上。

本文介紹如何不通過JTAG口，不使用專用下載器，僅僅通過普通管腳來進(jìn)行固件更新，分享實(shí)現(xiàn)思路和設(shè)計(jì)方法，暫時(shí)還沒有示例工程。

以Xilinx FPGA通過串口進(jìn)行固件升級(jí)為例，所需要的軟硬件為：

• FPGA板卡（含外部SPI Flash），如Spartan-6系列XC6SLX9 FPGA+M25P16 SPI Flash

• 專用的PC串口上位機(jī)，也可以使用通用的串口助手，自定義的串口助手會(huì)增強(qiáng)通訊的穩(wěn)定性和可靠性

• USB-TTL串口模塊，用于FPGA和PC進(jìn)行通訊

• 專用的FPGA固件代碼

整體大致流程為：FPGA內(nèi)部串口解析模塊接收上位機(jī)發(fā)來的固件程序，寫入內(nèi)部FIFO或RAM中進(jìn)行緩存，然后通過SPI Flash控制器將緩存的數(shù)據(jù)寫入外部的SPI Flash芯片中，簡(jiǎn)單的說FPGA就是充當(dāng)了一個(gè)SPI Flash編程器的角色，完成UART-SPI協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)然，這里的串口也可以是其他接口，如USB、網(wǎng)口、SPI等等，比如通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手更新固件，通過USB口更新固件，通過外部的單片機(jī)進(jìn)行更新固件，通過讀取SD卡文件進(jìn)行更新固件等等，實(shí)現(xiàn)原理都是一樣的！

. FPGA程序文件結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我們需要先了解一下FPGA的程序文件格式，以Xilinx FPGA程序文件為例，主要有兩種文件格式：Bit文件和Mcs文件。

前者Bit文件通常用于調(diào)試，Bit文件會(huì)下載到FPGA芯片內(nèi)部RAM空間，掉電程序會(huì)丟失，因?yàn)镕PGA開發(fā)階段需要頻繁的進(jìn)行程序的擦除燒寫操作，這樣的好處是程序下載速度非?？?，不會(huì)消耗Flash芯片的壽命。

后者Mcs文件通常用于最后的程序發(fā)布，產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)使用，它可以由Bit文件文件生成，在生成過程中需要指定外部SPI Flash的存儲(chǔ)大小。

Mcs文件其實(shí)本質(zhì)上就是Hex文件，將后綴名改為hex后，可以通過文本編輯器進(jìn)行查看，由Hex文件結(jié)構(gòu)，我們只需要圖中的黑色的數(shù)據(jù)部分，然后把這些數(shù)據(jù)按順序發(fā)送給FPGA即可。

. 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

為保證升級(jí)的穩(wěn)定性，我們不使用通用的串口調(diào)試助手，通過自定義通訊協(xié)議和串口上位機(jī)，可以提高升級(jí)的可靠性。

串口通訊波特率通常為幾百KBps，而SPI控制器讀寫頻率通常為幾十MHz，為了能將數(shù)據(jù)完整有序的接收、保存、寫入，我們需要先將串口接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部的FIFO中，作為緩存和跨時(shí)鐘域處理。

串口上位機(jī)解析出Mcs文件中的數(shù)據(jù)部分，啟動(dòng)傳輸前，先發(fā)啟動(dòng)命令，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后發(fā)送結(jié)束命令。

數(shù)據(jù)幀包括：幀頭+256字節(jié)數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)值。FPGA接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確回復(fù)給上位機(jī)一個(gè)正確響應(yīng)信號(hào)，校驗(yàn)錯(cuò)誤回復(fù)錯(cuò)誤響應(yīng)信號(hào)，串口上位機(jī)接收到正確的響應(yīng)信號(hào)后，繼續(xù)發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，接收到錯(cuò)誤的響應(yīng)信號(hào)后，重復(fù)發(fā)上一幀數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完成，最后發(fā)送一個(gè)結(jié)束命令。這樣就簡(jiǎn)單定義了一個(gè)發(fā)送-響應(yīng)機(jī)制的通訊協(xié)議。

. SPI芯片數(shù)據(jù)寫入

SPI數(shù)據(jù)的寫入有兩種方式：

1. 每接收到一幀數(shù)據(jù)之后，對(duì)SPI執(zhí)行一次寫256字節(jié)操作；

2. 所有的數(shù)據(jù)接收完成后，一次性將數(shù)據(jù)寫入外部的SPI Flash芯片。

方式1：不需要開辟較大的FIFO空間對(duì)資源占用小，但是如果出現(xiàn)一些異常操作，如升級(jí)過程中出現(xiàn)異常操作，就會(huì)導(dǎo)致SPI Flash數(shù)據(jù)紊亂，固件升級(jí)失敗，而且導(dǎo)致原始的固件被損壞，導(dǎo)致死機(jī)現(xiàn)象。

方式2：需要開辟較大的FIFO空間，通常升級(jí)文件大小為幾百KB，會(huì)占用較多資源，如果數(shù)據(jù)未接收完成出現(xiàn)異常，也不會(huì)對(duì)原始的SPI芯片內(nèi)的固件造成損壞，不會(huì)導(dǎo)致死機(jī)情況。但是這樣也會(huì)有一個(gè)小問題，就是在數(shù)據(jù)接收完成后，寫SPI Flash期間，需要保持硬件穩(wěn)定，不能干擾數(shù)據(jù)寫入過程，如出現(xiàn)斷電情況。

. SPI芯片擦除和校驗(yàn)

同理，為保證程序能正常運(yùn)行，在數(shù)據(jù)接收完成后，數(shù)據(jù)寫入前，我們需要對(duì)SPI芯片執(zhí)行全片擦除指令，這個(gè)擦除時(shí)間一般會(huì)比較長(zhǎng)，通常和存儲(chǔ)大小相關(guān)，擦除完成之后，再執(zhí)行寫入，寫入完成之后，如果有必要，可以對(duì)指定存儲(chǔ)區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀，和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而達(dá)到校驗(yàn)的目的。

. 總結(jié)

升級(jí)模塊可以獨(dú)立于應(yīng)用邏輯，作為一個(gè)單獨(dú)的功能，不會(huì)影響正常的代碼邏輯。本文只是提供一個(gè)大致實(shí)現(xiàn)思路，如果要是做得非常完美，工作量還是很大的。當(dāng)然串口只是一種升級(jí)方式，還可以通過SD卡升級(jí)，網(wǎng)口升級(jí)，USB升級(jí)，WiFi升級(jí)，外部控制器（如STM32）對(duì)FPGA進(jìn)行程序更新等。