金璐

摘要：超聲臺(tái)車系統(tǒng)由于體積大，機(jī)械外殼不建議頻繁拆卸，因此必須考慮FPGA燒錄的問題。傳統(tǒng)FPGA升級(jí)方式往往需要通過JTAG升級(jí)，而這種方式必須拆卸外殼。文章基于Xilinx公司的XC7K325T芯片，采用MultiBoot原理研究了一款超聲設(shè)備FPGA固件升級(jí)的更新保護(hù)設(shè)計(jì)。經(jīng)理論和實(shí)際驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)符合預(yù)期效果，能成功應(yīng)用到超聲臺(tái)車系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：Xilinx：更新保護(hù)：固件升級(jí)：MultiBoot

中圖分類號(hào)：TN791

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

FPGA程序升級(jí)，一般需要使用下載器通過JTAG接口與FP GA連接，但在整機(jī)生產(chǎn)及售后服務(wù)的情況下，通過下載器升級(jí)的方法會(huì)一定程度損傷機(jī)器本身¨]。這種情況下，后期的維護(hù)升級(jí)成本、設(shè)備使用的可靠性和安全性都會(huì)受到一定的影響[2]．因此，節(jié)約超聲臺(tái)車系統(tǒng)成本及售后服務(wù)人力成本至關(guān)重要[3]。為了避免這種情況發(fā)生，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以取代JTAG升級(jí)的方案，目前可行性方案主要包括以下幾點(diǎn)需求：首先板載FPGA可以通過SPI總線配置Flash．其次FPCA跳轉(zhuǎn)到Flash的對(duì)應(yīng)地址讀取燒寫到Flash中的-bin文件加載運(yùn)行[4]．最后需要一種通信連接介質(zhì)。

1 需求分析

針對(duì)上述需求，制定滿足超聲FP GA更新保護(hù)設(shè)計(jì)方案，按要求逐一分析。

1.1 Flash Programer設(shè)計(jì)

如圖1所示，展示了Xilinx 7系列FPGA和SPIflash交互接口。當(dāng)FP GA讀取和尋址時(shí)，通過MOSI引腳發(fā)送到SPI flash．獲取的數(shù)據(jù)通過MISO引腳從SPI flash發(fā)送到FP GA。SCK是時(shí)鐘引腳，ss是低電平有效的主從選擇引腳。

1.2

FPGA跳轉(zhuǎn)加載

Xilinx 7系列FPGA的MultiBoot和Fallback功能支持現(xiàn)場(chǎng)更新系統(tǒng)，比特流文件可以在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)升級(jí)．FPGA MultiBoot功能支持在文件之間動(dòng)態(tài)切換。當(dāng)在MultiBoot配置過程中檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)．FPGA觸發(fā)回退功能，確保將已知的良好設(shè)計(jì)加載到器件中。當(dāng)Fallback發(fā)生的時(shí)候，除MultiBoot邏輯、熱啟動(dòng)起始地址寄存器和啟動(dòng)狀態(tài)寄存器需要被保留外，內(nèi)部生成的脈沖信號(hào)會(huì)復(fù)位整個(gè)配置邏輯。當(dāng)復(fù)位脈沖生效時(shí)，INIT—B和DONE信號(hào)會(huì)被拉低，配置存儲(chǔ)器的內(nèi)容會(huì)被清除，F(xiàn)LASH從0地址重新啟動(dòng)配置過程。

如圖2所示．Xilinx提供的MultiBoot功能為FP GA提供了很多選擇性，包括bin文件的加載地址選擇。內(nèi)部邏輯IPROG啟動(dòng)配置邏輯首先跳轉(zhuǎn)到golden燒錄文件首地址，同時(shí)WBSTAR將熱啟動(dòng)地址指定到update燒錄文件首地址，并嘗試更新跳轉(zhuǎn)。如果此期間檢測(cè)到配置錯(cuò)誤，則會(huì)觸發(fā)Fallback，重新加載golden燒錄文件，這就是MultiBoot和Fallback的工作原理。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示．Host主機(jī)通過PCIE總線將燒錄文件發(fā)送給FP CJA．FPCJA在通過SPI總線燒寫到FLASH里。

本設(shè)計(jì)存在兩個(gè)燒錄文件，考慮利用Vivado白帶的．msc文件將golden燒錄文件和update燒錄文件兩個(gè)文件一同燒錄到Flash里。這樣在工廠出來的板子上的flash就有MuhiBoot功能，可以直接投產(chǎn)。MultiBoot的構(gòu)建及驗(yàn)證有以下幾點(diǎn)。

2.1 xdc文件配置情況

golden bin文件中需要添加如下命令：

set_property BITSTREAM. CONFIG. CONFICJFALLBACK ENABLE[ currenLdesign]

set—property BITSTREAM. CONFIG. NEXT—CONFIG_ADDR Ox0300000[ current_desig

set_property BITSTREAM. GENERAL. COMPRESSTRUE[ c.urrent_design]

set—property BITSTREAM. CONFIC. SPI—BUSWIDTH l[current_design]

update bin文件中需要添加如下命令：

set

—

property

BITSTREAM.

CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE[ current_design]

set — property

BITSTREAM. CJENERAI.COMPRESS TRUE[ current_design]

set—property

BITSTREAM. CONFIC. SPI—BUSWIDTH l[current_design]

golden燒錄文件中的NEXT—CONFIC—ADDR的數(shù)值必須與P rogrammer邏輯中燒寫偏移地址保持一致，才能保證golden燒錄文件內(nèi)容不被破壞。只有這樣產(chǎn)品升級(jí)過程才能保證即使有意外情況（如掉電，誤操作等）發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)重啟后仍能更新update燒錄文件，這才是設(shè)計(jì)的意義。

2.2 生成．mcs文件

根據(jù)Xilinx官方手冊(cè)，使用tcl命令writ e_cfg{mem創(chuàng)建一個(gè)．mcs文件，具體結(jié)構(gòu)如下：

write_cfgmem -format mc.s -interface SPIX4 -size16 -loadbit”up 0/golden. bit up Ox0300000 /update.bit" /filename.mc.s

2.3

FPCJA與Host傳輸介質(zhì)選定

本設(shè)計(jì)中FPGA與Host的橋梁是PCIE．其中一個(gè)原因是現(xiàn)有超聲臺(tái)車具備IPASS總線接口，所以考慮沿用這個(gè)傳輸方式。但是，對(duì)于PCIE來說數(shù)據(jù)是流數(shù)據(jù)，而這種流數(shù)據(jù)不能直接寫入到Flash中，所以FPGA中需要考慮數(shù)據(jù)解析整合，即需要確定FLASH塊寫還是FLASH頁寫，這里使用的方式是塊寫，利用FIFO進(jìn)行速率緩沖，具體的工作流程如圖4所示。

2.4 軟件測(cè)試

依據(jù)如圖5所示的軟件界面，測(cè)試步驟如下：

（1）正常上電觀察FPCA的done燈是否點(diǎn)亮。

（2）打開軟件修改燒寫Flash的偏移地址。

（3）執(zhí)行Flash擦除指令，手冊(cè)規(guī)定flash erase動(dòng)作需要100 s。

（4）待步驟（3）執(zhí)行后，掉電上電，觀察done燈，發(fā)現(xiàn)done燈較正常情況會(huì)慢幾十秒，這個(gè)情況是正常的。

（5）此時(shí)PCIE的枚舉是沒有被建立的，所以需要重啟超聲臺(tái)車系統(tǒng)。

（6）待重啟后，執(zhí)行部分寫入。

（7）掉電上電觀察done燈正常點(diǎn)亮，說明燒寫正確。

2.5 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過程中使用Vivado在線調(diào)試FP GA．通過觀察SPI的時(shí)序及約束，確定數(shù)據(jù)下載的位置是期望的偏移地址；觀察PCIE總線的時(shí)序圖，確定數(shù)據(jù)鏈路為期望的BARI．且BARI傳遞到后端，更新數(shù)據(jù)也同樣傳遞到PCIE核與SPI核之間的FIFO中，且數(shù)據(jù)正確，時(shí)序約束符合跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)要求。具體結(jié)果如下，原基礎(chǔ)版本為0.3.0．升級(jí)后，版本為0.3.3．更新方案可用。測(cè)試過程中強(qiáng)制掉電，上電后觀察版本號(hào)，為原版本0.3.0，后執(zhí)行更新操作可恢復(fù)正常。下載速度方面，傳統(tǒng)JTAG下載時(shí)間一般為10 min．本設(shè)計(jì)下載時(shí)間為2 min。

3 結(jié)語

本研究針對(duì)目前超聲系統(tǒng)固件更新過程的復(fù)雜性，依托Xilinx的MultiBoot理論制定FPGA更新保護(hù)方案，并設(shè)計(jì)單獨(dú)升級(jí)軟件測(cè)試及后期調(diào)試使用。經(jīng)過開關(guān)機(jī)反復(fù)4 000次升級(jí)測(cè)試，沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象，設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定性得到證實(shí)：研發(fā)和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題時(shí)，也可以通過升級(jí)軟件及時(shí)更新，縮短了研發(fā)周期：后期售后服務(wù)人員在更新固件版本的時(shí)候，可以隨軟件基線更新固件，避免拆機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，降低了后期的維護(hù)成本，用戶使用可靠性、安全性得到保障。目前，該方案已正式運(yùn)用在超聲臺(tái)車系統(tǒng)中并進(jìn)入市場(chǎng)。

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[3]韓子舟，任勇峰，李輝景．基于1553B總線的FPGA在線升級(jí)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2022（3）：1-5．

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（編輯沈強(qiáng)）