文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181693
中文引用格式： 林天靜，阮翔，劉春. 基于Flash控制器的FPGA在線加載功能設計[J].電子技術應用，2019，45(1)：88-91.
英文引用格式： Lin Tianjing，Ruan Xiang，Liu Chun. Design of FPGA online loading based on Flash controller[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(1)：88-91.
0 引言
近些年來，由于其靈活可配置性及成本的降低，現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)在嵌入式系統(tǒng)中應用越來越廣泛，不論產(chǎn)品的初期研發(fā)或是后期維護都不可避免地需要頻繁更新FPGA程序。傳統(tǒng)的JTAG方式更新FPGA程序的方式是通過開發(fā)軟件將需固化的文件寫入Nor Flash器件。當系統(tǒng)很復雜且需要更新的FPGA數(shù)量較多時，JTAG方式更新FPGA程序則費時費力且還需拆結構。若在FPGA內部通過邏輯代碼搭建一Flash控制器實現(xiàn)對Flash器件的讀寫操作，即可并行實現(xiàn)系統(tǒng)內每片F(xiàn)PGA對配置文件的在線更新，大大縮短程序固化時間。本文依托于Xilinx公司的FPGA和Spasion公司的Nor Flash，詳細介紹了Flash控制器設計和在線加載功能的實現(xiàn)方法。
1 FPGA配置方式
以Xilinx Virtex6 系列FPGA為例，對配置文件的加載方式有串行Flash、并行Flash、JTAG方式等，其中最常用的是并行Flash方式(Byte Peripheral Interface Parallel Flash Mode，BPI)，其配置模式如圖1所示。
一種實際的FPGA與Nor Flash硬線連接方式如圖2所示。
無論是通過JTAG方式還是通過軟件操作實現(xiàn)程序更新，都是通過控制這些讀寫使能信號及地址線實現(xiàn)配置文件的寫入，F(xiàn)PGA掉電重啟之后再從Flash取出配置數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)加載。本文提出的FPGA在線更新程序的方式則是通過FPGA控制邏輯驅動Flash的數(shù)據(jù)和地址，從而為多塊FPGA并行更新程序的實現(xiàn)提供了前提。
2 Flash控制器設計
Flash器件的基本操作包括讀、寫、擦除等，這些操作都是通過向相應的命令寄存器寫入特定的指令來實現(xiàn)的，這些指令的寫入通過操作與FPGA相連的片選信號(ce_n)、寫使能信號(we_n)、讀使能信號(oe_n)、地址總線(addr[23:0])和數(shù)據(jù)總線(dq[15:0])實現(xiàn)。
以目前市場上常用的Spasion公司的S29GL-P系列Nor Flash為例，通過FPGA實現(xiàn)的控制器外部接口如圖3所示。
其中，start信號用于啟動控制器模塊對Flash器件實現(xiàn)讀寫操作，在啟動之前，須先告知Flash配置文件大小和配置文件在Flash存儲空間的首地址；data_req、data_in和rd_data_count信號用于與一前端FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，配置文件先緩存到FIFO中，然后由控制器負責取出并寫入Flash器件；config_status信號用于指示程序更新是否完成。
該Flash控制器按時間上的先后順序分別實現(xiàn)了對Flash器件的讀ID、擦除和寫緩沖操作，下面將分別進行簡要敘述。
每次對Flash進行基本的讀寫操作之前，會對Flash芯片進行讀ID操作以檢驗器件的好壞，讀ID涉及的主要操作為向特定寄存器寫入相應的解鎖指令，然后再進行多操作讀出相應的寄存器值，其時序圖及讀結果如圖4所示。
確認了芯片ID無誤，即可進行正確訪問，首先對Flash芯片進行擦除操作。Flash芯片擦除可分為兩種：整片擦除和扇區(qū)擦除。由于實際使用時并未用到整塊Flash存儲空間，而是根據(jù)配置文件的大小選擇合適的扇區(qū)大小存儲配置文件，所以設計中采用的是扇區(qū)擦除方式，時序如圖5所示。
當成功寫入擦除操作指令之后，芯片會進入一個較長的周期等待擦除操作的完成，該期間無法對芯片進行復位之外的其他操作。
完成了擦除操作之后，即可向Flash寫入配置數(shù)據(jù)，其對應的寫緩沖時序如圖6所示。
擦除和讀寫的過程中，地址將進行自動累加且起始地址可變。Flash的寫操作可為單字寫和緩沖寫兩種，由于緩沖寫最大一次可向Flash寫入32個字，為了最大化寫入速度，選擇緩沖寫方式；Flash的讀操作分為單字讀和按頁讀兩種，由于Flash讀數(shù)據(jù)速率較高且系統(tǒng)對讀速率沒有太高要求，本文選擇單字讀方式。
3 工程應用及性能測試
以一實際項目工程為例，系統(tǒng)中具有10塊FPGA進行程序更新，其在線加載功能系統(tǒng)架構如圖7所示。
系統(tǒng)主控CPU運行在Linux系統(tǒng)下，CPU通過以太網(wǎng)與遠程計算機進行通信調試，同時通過PCIE或SRIO高速總線向每塊FPGA下發(fā)配置數(shù)據(jù)，最后再由Flash控制器完成數(shù)據(jù)的寫入。如前文所述，一次寫緩沖操作的數(shù)據(jù)量為32個字，而配置文件的大小有可能不是32個字的整數(shù)倍，所以還需要應用軟件對配置文件進行補齊操作。單個FPGA在線加載流程簡要敘述如圖8所示。
更新單塊FPGA程序時，以一實際測試的3.47 MB大小的配置文件為例，經(jīng)FPGA在線更新程序固化的時間和使用ISE14.7軟件JTAG方式固化的時間如表1所示。
Flash芯片手冊中給出的典型擦除和寫緩沖時間分別0.5 s和480 μs，則可計算出理論上3.47 MB大小的文件固化所需的典型時間約為41 s。由于器件等因素影響，實測時用時往往大于該時間，但總體來說，使用在線更新方式的耗時要比用JTAG方式耗時更少。
而當更新系統(tǒng)中的10塊FPGA時，由于每塊FPGA均可同時進行在線更新操作，程序固化所消耗的時間與單塊FPGA程序更新時間開銷大致相當，可見并行在線更新方式相較于傳統(tǒng)JTAG方式無疑可以大大縮短時間。
4 配置文件不斷電加載和備份方法
每次更新完配置之后，通常做法是對FPGA進行斷電重啟實現(xiàn)重新加載，但工程應用時斷電可能會影響系統(tǒng)其他模塊的正常工作。為使FPGA在不斷電的情況下自動加載更新完的配置程序，可通過配置FPGA芯片的PROGRAM_B信號來實現(xiàn)，BPI模式下的時序如圖9所示。
考慮到若在配置過程中FPGA發(fā)生斷電等異常，則Flash中的配置文件損壞，F(xiàn)PGA將無法實現(xiàn)加載，需要重新使用JTAG方式燒寫配置文件。為防止該種情況發(fā)生，可分配Flash的一塊區(qū)域用于備份配置文件，發(fā)生FPGA無法正常加載的異常時，可讀取該備份配置文件實現(xiàn)FPGA再次正常加載，但前提是該部分Flash存儲空間預先固化了帶有FPGA在線更新功能的程序。
5 結論
本文利用FPGA邏輯設計了一款Flash控制器，實現(xiàn)了FPGA在線更新功能，由于FPGA直接操作Flash，因此相比傳統(tǒng)FPGA程序更新方法具有更新速度快、硬件電路精簡、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，同時能夠實現(xiàn)復雜系統(tǒng)多塊FPGA并行更新程序，大大節(jié)省了程序固化時間，便于項目前期開發(fā)及后期排故調試。
參考文獻
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[3] 于樂，王嘉良.易于移植的FPGA在線更新控制器設計[J].航空電子技術，2015(4)：47-50.
[4] 楊鵬.基于Linux系統(tǒng)的FPGA芯片在線加載的設計和實現(xiàn)[J].電子設計工程，2015(6)：161-164.
作者信息:
林天靜，阮 翔，劉 春
(中國電子科技集團第52研究所，浙江 杭州310000)