如何实现基于FPGA芯片的远程编程

摘 要

对于采用FPGA做主控芯片的产品或模块，在线编程方法（ISP）造成的设备升级维护成本将随产品部署数量的增大而提高。本文研究了Xilinx Spartan系列FPGA的在应用中编程（IAP）方法，并讨论了其应用在无线通信系统中实现FPGA系统远程编程（远程升级）的方法。

【关键词】单FPGA系统 IAP 远程编程 系统升级 远程升级

随着FPGA工艺的持续改进，其性价比不断提高，越来越多的产品或模块采用FPGA作为主控芯片。单FPGA控制系统应用时一般采用ICP（In Circuitry Programming，在线编程）编程方法，但随着产品的部署，这种编程方法带来的设备升级成本越来越高。因为ICP在线加载方法必须依靠专用的仿真器和编程环境通过JTAG口对器件进行编程，需要开发人员现场拆机操作；而FPGA作为高可靠的嵌入式解决方案，其产品常常部署在恶劣环境中，甚至是人类无法到达的地方，给设备的升级维护造成了极大的困难。IAP（In Application Programming）即在应用编程，是指编程过程不会打断正常应用，对用户来讲是一种静默的编程方式，不需要专门的工具，也不需要拆机等操作。将IAP技术和无线通信相结合，可以实现远程网络编程，解决ICP方法带来的一系列问题。

1 FPGA的IAP依据

Xilinx系列FPGA支持主串、主并、从串、从并、JTAG、SPI、BPI等多种加载模式。传统一些设计中为了实现IAP编程，常采用从串或者从并的方法，这种方法需要额外增加一个MCU或CPLD负责加载工作，增加了成本和电路复杂度，并且MCU或CPLD本身也需要编程和升级。本文讨论的方法采用SPI加载方式，电路形式简单，硬件连接如下图1所示。图中FPGA系统通过通用串口与上位机相连，上位机可以是PC、MCU等控制器，用来启动FPGA的重配置时序并与编程逻辑交互提供可靠的编程数据。在IAP应用中与FPGA连接的网络模块或其他设备作为上位机，正常的通信接口作为编程数据口。

系统上电之后，FPGA根据加载配置线M2、M1、M0的设置（M[2：0]=[0，0，1]）进入主机SPI加载模式；在主机SPI模式下，FPGA自主产生SPI FLASH的读时序从FLASH中读取数据编程FPGA；在配置结束后FPGA进入正常工作模式，并将SPI配置引脚释放为用户IO；在正常工作过程中，FPGA可通过作为用户IO的SPI配置引脚对FLASH进行读写，修改FPGA的配置文件；FLASH编程结束后，根据系统要求FPGA将产生自加载时序完成FPGA的重新编程。

2 IAP远程编程

上述IAP方法采用通用数据接口，对数据传输形式没有特殊要求。将此IAP方法应用在无线传输系统中，可以通过无线数据分发的方法实现设备的远程编程。在此，将无线系统中的设备简化为网络模块和FPGA系统，网络模块完成无线网络数据的传输，并且充当IAP中的上位机的作用，FPGA系统在收到编程数据之后自主进行IAP编程。网络模块和FPGA系统之间通过正常工作时的通信接口进行编程数据传输。由于IAP使用独立的硬件逻辑，所以系统可以在正常通信过程中完成编程。

2.1 编程数据的传输

无线通信系统模型如图2所示。

远程编程数据传输的难点是，一是编程数据要保证零差错传输，二是满足多个用户并行传输。针对上述难点考虑的数据传输方法有两种。一种是在系统需要重编程时，基站搜索空闲信道，然后以群发的形式向在线的所有移动用户同时群发编程数据；第二种是，系统需要重编程时，移动用户主动请求编程数据。第一种方法可以同时升级整个群组，问题是可能每个移动台的信道环境不同，造成不同移动台接收到数据的错误比特不同，为了数据保证零差错传输，基站需要为所有的错误比特重传，当群组容量较大或者电磁环境复杂时传输效率将大大降低。第二种方法相当于是对移动用户进行了筛选和排队，只对申请到编程逻辑信道的用户进行编程，移动台主动发起请求的方法也大大降低了基站的管理难度，可以适应不同的网络拓扑。本文采用第二种方法。

编程流程如下图3所示。编程前，将编程文件存放在基站的物理存储器上，并置位编程标识数组A[N]，其中N为群组中移动台的数量。接入的移动台查询对应的编程标识位，如果需要编程则向基站申请编程数据，基站用空闲信道与申请的移动台建立点对点的数据连接，如果没有空闲信道则将申请的移动台加入编程队列，如果有多个空闲信道则同时响应多个申请。编程成功后，基站将对应的编程标识位清零。

编程过程占用的信道为业务之外的空闲逻辑信道，在编程过程中，如果有业务需求，编程过程会被中断并进入中断编程排队，一旦重新获得空闲逻辑信道则继续编程过程，直到编程完成。基站根据编程标识数组A[N]对群组的移动台用户进行编程状态监视和管理。

2.2 编程实现

网络模块将数据无差错接收完成后，将编程文件存放于移动台本地存储器，并触发编程过程，编程流程如下图4所示。FLASH芯片AT45DB321D采用标准页模式时每页容量为528BYTE，即N=528。

编程的实现主要包括以下几个步骤。

（1）网络模块产生编程数据。网络模块读取本地存储器上的编程文件，解析、打包和添加校验之后将数据以特定帧格式发送个FPGA系统。

（2）网络模块与FPGA系统通信。网络模块发送编程启动命令，获得应答之后开始向FPGA发送编程数据包，FPGA对收到的数据进行校验，校验成功则申请下一个数据包，否则申请重发。当发送完FLASH一页大小数据之后，网络模块通知FPGA结束一页数据的写时序。等待FLASH当前页写入完成之后，网络模块继续发送下一页数据，直到编程数据发送完成。

（3）FLASH编程。FLASH选用ATMEL的AT45DB321D，此芯片支持页编程方法，即芯片先通过SPI将数据锁入缓存器Buffer中，然后再将缓存数据写入主存储器的特定页中。FPGA接收完一页数据之后，将使能信号拉高结束数据当前写周期。FLASH检测到使能信号上升沿时，先将主存储器当前页的一整页数据擦除，然后再将Buffer中数据写入，擦除和数据写入当前页都有芯片自己完成而不需要外部时序。

（4）FPGA重配置。在FLASH编程结束之后，FPGA产生一个低电平脉冲控制FPGA芯片的PROG_B引脚初始化加载进程完成FPGA的重配置。至此，整个编程过程结束。

3 结论

本文将FPGA的IAP方法与无线传输相结合实现了FPGA系统的远程编程，大大缩短了系统的升级维护成本。

以Xilinx的XC3S1400A为例，其编程文件大小为580KB，网络的数据速率38.4kbps，文件的传输时间约为120秒，而FPGA自身的编程过程不会占用任何业务资源。所以一台设备的编程成本为120秒钟的空闲信道资源，在空闲信道资源较多的情况下可以进行多台设备并行编程。由于采用了业务中断机制，编程占用的信道资源不会对正常业务造成影响，对用户是透明的。这与传统的需要明显人为操作的编程方式相比，大大减少了人力、时间和资金成本，同时避免了维修过程对企业形象造成的不良影响。

作者简介

冯跃辉（1984-），男，广东省广州市人，供职于中国电子科技集团公司第七研究所，工程师。

作者单位

中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510310