0 引言

    本文的研究課題是基于一種已應用在某型號上的彈載測試設備，因總體要求有變，需要對出廠后的產(chǎn)品功能進行升級。由于此類產(chǎn)品在出廠前都需要進行特殊的工藝處理，產(chǎn)品交付后不具備開蓋重復燒錄程序的條件，且根據(jù)型號研制要求，彈上設備在完成系統(tǒng)匹配試驗和綜合試驗后禁止拆卸維修，因為設備拆卸后，狀態(tài)遭到破壞，前期進行的各項試驗需要重新評估，影響到型號研制進度。為解決這個難題，本文提出了一種在線程序升級方案，在不破壞產(chǎn)品硬件狀態(tài)的前提下，利用FPGA靈活的內(nèi)部邏輯資源實現(xiàn)自身的軟件功能升級。

1 應用背景

    隨著內(nèi)部資源的日趨豐富以及可重復配置的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA在測試設備中擔任了重要的角色，實現(xiàn)的功能也日趨復雜化和多樣化，對產(chǎn)品功能實現(xiàn)重配置的應用需求也在日益加大。產(chǎn)品功能重配置是在不改動設備硬件狀態(tài)的前提下，通過更新FPGA的程序文件，達到產(chǎn)品功能更改及升級的方法。目前主流的應用方案是使用MCU(或DSP)+存儲芯片的架構(gòu)^[1]，MCU負責存儲芯片的讀寫，存儲芯片作為FPGA的程序代碼存儲器，產(chǎn)品上電后，MCU將存儲芯片中的數(shù)據(jù)讀出，并按照特定時序（FPGA加載時序）發(fā)送到FPGA，此過程即為FPGA的數(shù)據(jù)加載流程^[2]。此方案不適用于本文的研究課題，原因有二：首先，此方案需額外增加MCU和存儲芯片兩個芯片，印制板的布局難度加大，尤其對于本設備印制板上器件已經(jīng)很多并無多余空間的情況更加明顯；其次，軟件的數(shù)量增多，增加了MCU軟件后，出故障的概率也隨之加大，由于MCU不僅需要對存儲芯片進行讀寫操作，還需要對FPGA的上電加載過程進行模擬，如果加載不成功，不僅產(chǎn)品的升級功能失敗，產(chǎn)品的基本功能也隨之失效，考慮到本產(chǎn)品的特殊應用場合，此方案風險較大，不宜采用。

    本文采用的方案是在FPGA的內(nèi)部構(gòu)建功能模塊，由該模塊完成PROM芯片燒寫所需要的相關操作。在對產(chǎn)品進行軟件升級時，該模塊執(zhí)行升級工作，不需要進行升級時，模塊閑置，不發(fā)揮作用。該模塊與產(chǎn)品的原功能模塊獨立運行，互不干涉。設備上電時，F(xiàn)PGA的程序加載流程仍由自帶的PROM配置芯片自動完成。該方案既沒有額外增加芯片，也沒有額外增加軟件個數(shù)，大大降低了出錯的風險。

2 功能實現(xiàn)

    設備的系統(tǒng)連接框圖如圖1所示，設備通過RS-422接口與地面測控臺連接，地面測控臺通過網(wǎng)絡通信接口與計算機連接。測試設備的主控芯片F(xiàn)PGA為XILINX公司的Virtex-4系列XC4VSX35芯片，PROM配置芯片型號為XCF32PFSG48C，存儲容量32 Mbit^[3]。

    計算機通過網(wǎng)絡接口將燒寫文件發(fā)送到測控臺，測控臺通過RS-422接口將燒寫數(shù)據(jù)發(fā)送到設備，設備通過RS-422接口向測控臺反饋狀態(tài)信息。下面分別從燒寫文件的生成、測控臺與設備的通信協(xié)議、FPGA與PROM的連接、FPGA軟件設計4個方面進行闡述。

2.1 燒寫文件生成

    XILINX設計工具（PROMGen）可生成多種格式的配置數(shù)據(jù)文件，這些數(shù)據(jù)文件可以存儲在PROM中，也可以存儲在其他非易失性存儲芯片中^[4]。配置文件的常用格式見表1。

    FPGA程序編寫完成，經(jīng)過ISE(ISE Design Suite 14.2)開發(fā)環(huán)境綜合實現(xiàn)后直接生成.bit編程文件，該文件可由IMPACT工具通過編程器燒寫到PROM中。.bit格式文件是二級制配置數(shù)據(jù)文件，包含了頭文件數(shù)據(jù)，頭文件數(shù)據(jù)中包含PROM的相關信息，用于控制PROM燒寫過程，該格式文件適用于使用編程器燒寫。.hex文件為ASCII碼PROM文件格式，僅包含配置數(shù)據(jù)，不包含頭文件等信息，可使用PROMGen或iMPACT工具生成，.hex文件為本文采用的文件格式。

2.2 設備通信協(xié)議

    測控臺與設備通過RS-422連接，采用異步串行通信，波特率為921.6 kb/s，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit奇校驗，1 bit停止位。對于RS-422的物理層通信，采用無校驗的方式。發(fā)送與接收采取數(shù)據(jù)幀傳輸，表2以測控臺發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為例說明。

    表2中，0xFD、0x55為幀頭；指令類型0x02表示該指令為數(shù)據(jù)傳送指令，其他指令類型在此不贅述；數(shù)據(jù)長度表示該幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)中包含的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)，數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)個數(shù)可變，數(shù)據(jù)長度0x00~0xFF表示數(shù)據(jù)區(qū)中實際數(shù)據(jù)個數(shù)0~255個；校驗和為數(shù)據(jù)區(qū)中所有數(shù)據(jù)（0~255個）的累加和。

    由于傳送的文件為“.hex”純數(shù)據(jù)文件，文件中僅包含A~F、a~f、0~9等三類字符，對應十六進制數(shù)據(jù)分別為0x41~0x46，0x61~0x66，0x30~0x39，可確保幀頭數(shù)據(jù)0xFD、0x55在整個數(shù)據(jù)幀中的唯一性，接收方可依此作為判斷每幀數(shù)據(jù)起始的依據(jù)。

2.3 接口實現(xiàn)

    FPGA和PROM、JTAG的具體連接關系見圖2。

    圖2中，JTAG1下載口用于對FPGA進行在線調(diào)試和仿真，JTAG2下載口用于對PROM進行程序燒寫。 FPGA的4個I/O口連接到JTAG2鏈，在對PROM芯片進行程序燒寫時，I/O 1~I/O 4為高阻態(tài)，編程器通過JTAG2口對PROM進行程序燒寫。燒寫完成后，F(xiàn)PGA執(zhí)行程序，此程序中嵌入了對PROM的在線升級功能，在需要對PROM芯片進行在線升級時，I/O 1~I/O 4則分別模擬TCK、TMS、TDI、TDO管腳，由FPGA內(nèi)部邏輯實現(xiàn)JTAG時序控制功能，對PROM進行擦除、編程、校驗等操作，完成PROM的程序升級。

2.4 模塊組成

    FPGA內(nèi)部由3個模塊組成，分別為422通信模塊、中心控制模塊、JTAG時序控制模塊，組成圖見圖3。

    422模塊與測控臺進行數(shù)據(jù)交互，接收測控臺發(fā)送的程序數(shù)據(jù)，并回復相應的狀態(tài)信息到測控臺。JTAG模塊用于生成邊界掃描控制時序，對PROM進行擦除、編程和校驗等相關操作?？刂颇K用于對422模塊和JTAG模塊進行協(xié)調(diào)控制，對422模塊接收到的數(shù)據(jù)進行校驗，并判斷JTAG模塊當前的運行狀態(tài)后，按照自定義的握手協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到JTAG模塊，同時將JTAG模塊回復的信息反饋到422模塊。

2.5 模塊通信時序設計

    控制模塊與JTAG模塊的連接見圖4。

    圖4中，重要信號說明如下：

    EPV_CTRL：啟動擦除、編程、校驗操作；

    RDY：準備好信號，JTAG模塊準備好接收數(shù)據(jù)；

    LOAD：握手信號，收到RDY為高將LOAD置高表示數(shù)據(jù)已就緒。

    以上信號均為高有效，通信時序見圖5。

    圖5中，控制模塊將EPV_CTRL信號置高，等待RDY信號有效，當檢測到RDY信號為高后，將LOAD信號置高，同時將數(shù)據(jù)放在DATA線上，下一個CLK周期檢測到RDY變?yōu)榈?，則延遲一個周期，在下下個周期將LOAD信號置低，LOAD信號和DATA線上數(shù)據(jù)至少保持2個CLK周期(注：DATA數(shù)據(jù)線上傳送的第一個字節(jié)為CRC校驗值，相關說明見2.8節(jié))。

2.6 JTAG模塊設計

    下面重點介紹JTAG模塊的實現(xiàn)原理。

    該模塊的主要功能是對PROM器件進行擦除、編程和校驗操作，每個步驟都是一些必要的指令序列去控制PROM執(zhí)行相應的動作。例如對PROM進行擦除操作，需要首先發(fā)送指令將PROM置為ISP模式，然后發(fā)送擦除指令，指定需要擦除的塊（BLOCK），擦除開始后，監(jiān)測是否有錯誤發(fā)生，直到擦除結(jié)束。

    JTAG模塊發(fā)送特定的指令去控制PROM，實現(xiàn)不同的操作。指令的發(fā)送時序遵循IEEE1194.1邊界掃描協(xié)議。邊界掃描協(xié)議最初是用于對芯片進行測試的，通過在芯片內(nèi)部定義一個測試訪問口(Test Access Port，TAP)，以及專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試，JTAG測試允許將多個器件串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，實現(xiàn)對各個器件的分別測試?，F(xiàn)今，JTAG接口也常用于實現(xiàn)在線編程（In-System Programming，ISP），對Flash等器件進行編程。

    完整的JTAG處理鏈由JTAG寄存器和TAP控制器組成[5]。JTAG寄存器包含了邊界掃描需要的所有指令。TAP控制器主要包含一個狀態(tài)機，對控制PROM編程需要的每個必要的步驟進行編碼， TCK上升沿時刻TMS的狀態(tài)值決定狀態(tài)機的跳轉(zhuǎn)流程，包括數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)寄存器的流程和指令入指令寄存器的流程。相關的狀態(tài)轉(zhuǎn)換原理可參閱參考文獻[5]，此不贅述。

2.7 編程操作

    對PROM的編程包含擦除、編程、校驗3個步驟。

    (1)擦除： 控制模塊將EPV_CTRL置高， JTAG模塊擦除整片PROM，并讀取PROM的狀態(tài)，檢查完成狀態(tài)或錯誤狀態(tài)，完成擦除后，在下一個CLK時鐘上升沿將RDY置高，并進入編程流程。如擦除過程中有錯誤發(fā)生，ERROR被置高，控制模塊必須通過RST復位JTAG模塊，并將EPV_CTRL置高，再次嘗試擦除操作。

    (2)編程：擦除操作成功后，JTAG模塊將RDY置高，表示該模塊已經(jīng)準備好接收編程數(shù)據(jù)，控制模塊將LOAD置高，同時把數(shù)據(jù)送到DATA線上，同一個時鐘的下降沿，JTAG模塊鎖存數(shù)據(jù)，下一個時鐘上升沿，JTAG模塊將RDY置低，再下一個時鐘上升沿，控制模塊將LOAD置低。因JTAG模塊需要將數(shù)據(jù)按位串行移到PROM，所以控制模塊發(fā)完數(shù)據(jù)后，至少需要等8個周期才能發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送新的數(shù)據(jù)前需要首先監(jiān)控RDY信號的狀態(tài)。

    控制模塊每發(fā)送完256 bit的數(shù)據(jù)后，PROM對這些數(shù)據(jù)進行Flash編程，約需15 μs，控制模塊需要延遲等待。在編程期間，模塊監(jiān)測PROM的狀態(tài)查看是否有問題發(fā)生，控制模塊發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)到JTAG模塊后，將EPV_CTRL置低，JTAG模塊將最后256 bit的數(shù)據(jù)傳送到PROM，若沒有錯誤，進入校驗操作。

    (3)校驗：控制模塊將EPV_CTRL置低后，JTAG模塊將最后一批數(shù)據(jù)發(fā)送到PROM，開始進入校驗流程，JTAG模塊讀取PROM中的所有數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行8 bit CRC校驗，并與.hex文件的CRC校驗值進行比較，如果不相等，將ERROR置高，DONE保持低，如果相等，則DONE置高，所有連接到JTAG口的I/O管腳高阻態(tài)，校驗結(jié)束。

2.8 數(shù)據(jù)校驗

    為保證燒寫過程的可靠性及抗干擾性，必須對燒寫數(shù)據(jù)進行校驗，校驗措施如下：

    (1)在設備與地面測控臺的422通信幀尾加入校驗字，對每幀數(shù)據(jù)進行累加和校驗，保證幀數(shù)據(jù)的完整性及正確性；

    (2)由于生成的.hex文件為純配置數(shù)據(jù)，不包含文件的校驗信息，為保證燒寫過程的完整性，對整個文件進行數(shù)據(jù)校驗，在.hex文件頭插入該數(shù)據(jù)文件所有字節(jié)的CRC8校驗值，在燒寫完成后，將PROM中的數(shù)據(jù)全部讀出并進行CRC8校驗運算，若與文件頭的CRC8校驗值相等，則表明燒寫操作成功。

3 設計注意要點

    圖2中FPGA的I/O口與PROM在同一個JTAG鏈，在進行程序升級時，此JTAG鏈（JTAG2）不能連接編程器。

    本方案中對PROM的內(nèi)容進行更新是從地址0順序進行的，此更新并不改變PROM內(nèi)部的設置寄存器（setup registers）的值，僅改變PROM中數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容。

4 結(jié)論

    本文基于FPGA靈活的重配置功能，提出了一種對PROM進行程序升級的方案，該方案簡單高效，所有功能均在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)，硬件上僅需要使用FPGA的4個I/O口去模擬JTAG接口時序，實現(xiàn)對PROM內(nèi)部的數(shù)據(jù)更新。另外，通信過程中的幀校驗及CRC校驗，確保了數(shù)據(jù)的正確性及高可靠性。目前該方案已成功應用到系列產(chǎn)品上。

參考文獻

[1] Mike Peattie.Using a microprocessor to configure Xilinx FPGAs via slave serial or select MAP mode[EB/OL].[2009-8-24].www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp502.pdf.

[2] 陳嵐，李紀云，朱人杰.基于Kintex7和SPI Flash實現(xiàn)FPGA

     的多重加載[J].電子技術應用，2014，40(6)：24-26.

[3] XILINX.Platform flash in-system programmable configuration PROMS data sheet[EB/OL].[2006-05-09].http：www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds123.pdf.

[4] XILINX.Virtex-4 FPGA configuration user guide[EB/OL].[2009-06-09].http：www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug071.pdf.

[5] Randal Kuramoto.Updating a platform Flash PROM design revision in-system using SVF[EB/OL].[2009-09-15].http：www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp972.pdf.

作者信息:

張永樂，王永勇，鄭  煒

(北京航天萬源科技有限公司，北京100176)