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作者:刘金福,武宏伟,杨胜姚 发布时间:2012-02-22 17:17:34 来源: 繁体版
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

1 概述A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网
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2 系统硬件结构A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网

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    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。A9T自动化在线网
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3 更新程序处理流程A9T自动化在线网
    更新FPGA的配置文件和NiosII的应用程序的流程如图2所示。A9T自动化在线网

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    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。A9T自动化在线网
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4 合并程序文件A9T自动化在线网
    Nios II的启动要经历两个过程:A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网
    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。A9T自动化在线网
    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。 A9T自动化在线网
    配置文件和应用程序可能有多个段,每个段前面都插有一个“程序记录”。一个“程序记录”由2个32位的数据构成,一个是32位的整数,另一个是32位的地址,分别表示程序段本身的长度和程序段的运行时地址。其存储布局如图3所示。A9T自动化在线网

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    为了在更新程序时把FPGA配置文件和Nios II应用程序一起更新,把FPGA配置文件和Nios II应用程序合并成一个文件,并且把合并后的Flash格式的文件转换成不需要地址解码就能直接执行的二进制BIN文件。具体处理流程如图4所示。A9T自动化在线网

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    在合并程序的过程中,去掉了flash文件中的长度、目的地址等用于解析程序的信息,并且把程序映像由字符格式转换为二进制格式。合并后的BIN文件包含FPGA配置文件和Nios II应用程序,并且Nios II应用程序紧挨在FPGA配置文件的后面,其存储布局如图5所示。A9T自动化在线网

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5 Nios II更新程序模块处理A9T自动化在线网
    Nios II程序中的更新程序模块主要负责从上位机接收合并后的可执行BIN文件,并把该BIN文件写入EPCSFlash,处理流程如图6所示。A9T自动化在线网

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5.1 程序文件的传输A9T自动化在线网
    Nios II应用程序中的更新程序模块和上位机系统采用X-modem协议传输程序文件,X-modem协议是一种网口和串口通信中广泛用到的异步传输协议。


一种远程在线更新FPGA程序的方法
  
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