FPGA程序远程在线更新设计

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度的灵活性和可配置性。

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Nios II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EPCS Flash中读取这些文件来启动整个系统。

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Nios II 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Nios II程序文件的方法。

2　系统硬件结构

系统硬件结构如图1所示。

图1　系统硬件结构图

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Nios II处理器、EPCS控制器、网络及串行接口和其他外部接口，EPCS Flash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。

FPGA采用Altera公司的Cyclone III系统的EP3C40F484I7N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。

3　更新程序处理流程

更新FPGA的配置文件和Nios II的应用程序的流程如图2所示。

图2　更新程序处理流程

本方法把由Nios II IDE生成的FPGA配置文件和Nios II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Nios II程序文件的二进制BIN文件。然后把该文件通过Xmodem协议由上位机系统传输给Nios II的应用程序。Nios II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。