一种基于ARM的FPGA启动及在线升级方法与流程

本发明属于fpga现场可编程门阵列应用技术领域，尤其涉及一种基于arm的fpga启动及在线升级方法。

背景技术：

fpga即现场可编程门阵列，是在pal、gal等可编程器件的基础上进一步发现的产物，它是一种新型可编程逻辑器件，硬件电路的功能实现可以通过用户进行编程和配置，在电路功能升级重配置时，仅需要修改升级fpga程序，达到产品功能更改及升级的方法。而不需要对硬件电路重新进行设计，提高了开发效率、减少了设计周期和研发成本。但是目前较多带有fpga系统的产品无法通过产品的维护端口实现启动及在线升级，影响了fpga使用的效率。

fpga在正常工作时，它的配置数据存储在配置芯片sram中，加电时须由配置芯片将fpga配置数据加载到fpga，多数情况下由fpga主动引导加载过程。

fpga配置数据的加载模式有5种：主串模式、从串模式、主并模式、从并模式和jtag模式。fpga从串模式下配置管脚包括：用于输入配置时钟控制信号的cclk、用于输入配置逻辑异步复位信号的prog_b、用于输出fpga初始化信号的init_b、用于输出fpga配置状态信号的done、用于输入fpga配置数据信号的din、用于输入fpga配置模式选择信号的m[0..2]。

技术实现要素：

本发明旨在针对带有fpga系统但无法通过产品的维护端口实现启动及在线升级的产品，提供一种基于arm的fpga启动及在线升级方法。

本发明所述基于arm的fpga启动方法，包括上位机、arm控制模块、flash存储模块、电源模块和fpga模块；所述arm控制模块是整个系统的核心模块，它读取flash存储模块中的数据，通过fpga配置管脚发送给fpga模块，实现fpga启动。所述flash存储模块主要完成fpga程序的写入与读取；所述电源模块为一路电路转换电路，主要完成将输入电压转换为arm、flash和fpga模块所需要的dc3.3v、dc1.5v电源；所述fpga模块主要完成接收arm控制模块的启动数据，实现fpga的启动过程。

所述fpga包括管脚cclk、prog_b、din、done和init_b；包括如下步骤：系统上电后，arm控制模块将prog_b输出为低电平，复位fpga内部逻辑并重新配置内存清除状态；

复位fpga后，将prog_b输出为高电平；

fpga开始清除配置内存，将init_b输出为低电平，arm控制模块将prog_b高电平保持300us后，fpga将init_b输出为高电平，并采样配置模式；

当arm控制模块采样到init_b为高电平后，开始向fpga模块发送配置时钟cclk和数据din；

在cclk的上升沿，传输数据到din，配置过程如发生错误，则fpga输出init_b为低电平；所有数据传输完成并经crc校验无误后，fpga输出done信号为高电平；

当arm控制模块采样到done为高电平后，结束fpga启动。

本发明所述基于arm的fpga在线升级方法，包括上位机、arm控制模块、flash存储模块、电源模块和fpga模块；在fpga模块启动正常工作后，arm控制模块接收上位机发送的fpga升级程序，通过flash存储模块写入存储器中，实现fpga的在线升级。所述上位机实现将开发软件编译好的fpga升级程序发送给arm控制模块；所述arm控制模块是整个系统的核心模块，它读取flash存储模块中的数据，通过fpga配置管脚发送给fpga模块，同时接收上位机fpga升级程序数据，写入到flash存储模块中；所述flash存储模块主要完成fpga程序的写入与读取；所述电源模块为一路电路转换电路，主要完成将输入电压转换为arm、flash和fpga模块所需要的dc3.3v、dc1.5v电源。

进一步，本发明所述基于arm的fpga在线升级方法，包括如下步骤：系统上电后，arm控制模块配置fpga启动过程完成后，进入fpga在线升级程序，循环等待上位机发送的fpga在线升级指令；

上位机运行后，加载fpga升级程序，并向arm控制模块发送fpga升级通讯指令；

arm控制模块在收到fpga升级通讯指令后，清除flash存储器所有存储数据，并回复升级准备完成数据指令；

然后，通过上位机发送开始更新指令，并向arm控制模块逐个发送每一帧通讯数据；arm控制模块在收到每一帧通讯数据并进行crc校验后，回复对应帧数据接收正确的指令，并将通讯数据按顺序写入flash存储器中；

当crc校验错误时，回复对应帧数据接收错误指令，上位机重新发送对应帧通讯数据；

当arm控制模块在接收完成最后一帧数据后，回复所有数据接收正确指令，上位机停止数据发送，实现的fpga在线升级。

本发明所述基于arm的fpga启动及在线升级方法，在fpga模块启动正常工作后，arm控制模块接收上位机发送的fpga升级程序，通过flash存储模块写入存储器中，实现fpga的在线升级，该方法实现带有fpga系统的产品启动及在线升级，本发明所述方法实现简单，方便，且大大提高了产品维护升级效率，降低了产品维护成本。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于arm的fpga启动及在线升级系统结构示意框图；

图2为本发明实施例所述arm控制模块电路原理图；

图3为本发明实施例所述flash存储模块电路原理图；

图4为本发明实施例所述fpga模块部分电路原理图；

图5为本发明实施例所述arm控制模块配置fpga启动流程图；

图6为本发明实施例所述arm控制模块实现fpga在线升级流程图；

图7为本发明实施例所述arm控制模块内置嵌入式程序工作流程图。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明所述基于arm的fpga启动及在线升级方法进行详细说明。

本实施例所述基于arm的fpga启动及在线升级系统，如图1所示，主要包括上位机在线升级软件、arm控制模块、flash存储模块、电源模块和fpga模块。所述上位机通过内置软件实现fpga程序的在线升级功能，可实现将xilinxise开发软件编译好的fpga升级程序(.bin)通过在线升级接口分块发送给arm控制模块。所述arm控制模块是整个系统的核心模块，其原理如图2所示，它读取flash存储模块中的数据，通过fpga配置管脚发送给fpga模块，实现fpga启动，同时接收上位机fpga升级程序数据，写入到flash存储模块中。arm控制模块内置有嵌入式程序，如图7所示系统上电后，arm控制模块开始启动，首先完成时钟、pll、外围接口模块等的初始化；然后，按顺序读取flash数据，并通过fpga配置引脚将数据发送到fpga，完成fpga启动过程，fpga启动完成后，软件处于持续等待中，等待从在线升级接口接收上位机在线升级指令及数据，校验正确后，将数据按顺序写入flash，完成fpga的在线升级。arm控制模块使用arm架构的32位mcu微处理器。如图3所示，所述flash存储模块为一块spi接口的flash存储器，主要完成fpga程序的写入与读取。所述电源模块为一路电路转换电路，主要完成将输入电压转换为arm、flash和fpga等模块所需要的dc3.3v、dc1.5v电源；如图4所示，所述fpga模块为xilinx公司的fpga芯片电路，主要完成接收arm控制模块的启动数据，实现fpga的启动过程。

fpga配置数据的加载模式有5种：主串模式、从串模式、主并模式、从并模式和jtag模式。其中，jtag模式在开发调试阶段使用，其它四种模式在正常工作使用。为了实现fpga在线升级功能，fpga的配置数据加载模式选用从串模式，由arm控制模块控制配置时钟(cck)控制信号，并主导fpga的启动过程。在本实施例中采用从串配置模式；fpga从串模式下配置管脚说明如下：

fpga从串模式下的配置过程有四个主要阶段：

1、清除配置内存

fpga输出init_b和done信号为低电平，同时内存被清除。prog_b上输入高电平给fpga后，fpga复们配置逻辑同时保持fpga处理配置内存清除状态。当内存清除完毕后，fpga输出init_b信号为高电平。

2、初始化

在初始化阶段，fpga采集m[0..2]配置模式选择信号，确定起动配置模式，控制相应管脚状态，并开始配置过程。

3、载入配置数据

配置过程开始后，在cclk的上升沿时，fpga读取din信号数据，并在完成一个block后写入到内部数据寄存器(fdri)中，并执行crc冗余校验，重复上述过程，完成最后一位数据接收和处理。最后，执行crc冗余校验。

如果crc校验结果正确，设备启动阶段开始。如果crc不正确，fpga输出init_b信号为低电平，启动中止。

4、设备启动

在数据都配置完成后，fpga控制done信号为高电平。fpga启动完成，开始正常工作。

本实施例所述基于arm的fpga启动方法如图5所示，系统上电后，arm控制模块将prog_b输出为低电平，复位fpga内部逻辑并重新配置内存清除状态，充分复位fpga后(约100us)，将prog_b输出为高电平。

fpga开始清除配置内存，将init_b输出为低电平，arm控制模块将prog_b高电平保持300us后，fpga将init_b输出为高电平，并采样配置模式m[0..2]。

当arm控制模块采样到init_b为高电平后，开始向fpga发送配置时钟cclk和数据din。在cclk的上升沿，传输数据到din,配置过程如发生错误，则fpga输出init_b为低电平。

所有数据传输完成并经crc校验无误后，fpga输出done信号为高电平。当arm控制模块采样到done为高电平后，结束fpga启动程序。

本实施例所述基于arm的fpga在线升级方法如图6所示，系统上电后，arm控制模块配置fpga启动过程完成后，进入fpga在线升级程序，循环等待上位机内置软件发送的fpga在线升级指令；

上位机内置软件运行后，加载fpga升级程序(.bin)，确认文件大小、帧大小、帧个数后，通过在线升级接口向arm控制模块发送fpga升级通讯指令；arm控制模块在收到指令后，清除flash存储器所有存储数据，并通过在线升级接口回复升级准备完成指令；

然后，上位机通过在线升级接口向arm控制模块按帧大小逐个发送每一帧通讯数据；arm控制模块在收到每一帧数据并进行crc校验后，回复当前帧数据“接收正确”，并将数据按顺序写入flash存储器中；当crc校验错误时，回复当前帧数据“接收错误”，上位机内置软件重新发送当前帧数据；当arm控制模块在接收完成最后一帧数据后，回复所有数据“接收正确”，上位机内置软件停止数据发送，并提示fpga在线升级完成。