[发明专利]基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)程序升级技术领域，尤其涉及的是一种基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法。

背景技术

由于FPGA是基于SRAM工艺，在断电之后FPGA内部的配置数据就会丢失，因此电路设计中往往需要非易失的存储器(如EEPROM、Flash)来存储FPGA的配置文件。

目前，实现FPGA的程序升级有几种方法：

一种是通过JTAG(Joint Test Action Group，即联合测试工作组)接口来连接下载电缆，电缆另一端与专用下载器相连，通过下载器配合下载软件可完成升级过程。但JTAG不是常用接口，每次升级程序都需要拆箱进行，因此这种方法在工程调试中十分不便。

一种是由控制器(包括MCU、CPU、DSP等)将配置文件写入到配置芯片或者直接加载到FPGA中。例如在申请号为CN201510885026.3的专利中采用了DSP与FPGA配合实现FPGA程序在线升级。该方法不依赖下载电缆，甚至无需配置芯片，多年来在工程设计中被广泛采用。但是该方法所需额外控制器，方案实现较为复杂，使得研发成本大大增加。

除此之外，例如在申请号为CN201410336383.X的专利中采用FPGA嵌入式软核来实现FPGA程序在线升级的方法。但该方法由于嵌入式软核易占用FPGA大量逻辑单元，同时对于研发人员的专业水平要求也非常高。

总之，所述当前现有技术中，对于FPGA程序升级仍然缺少一种解决方案，使得设计中既不增加额外的物理资源，又能不拆箱实现FPGA程序的升级。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供了一种基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置及方法。该装置没有使用额外的控制器，又能通过光纤接口实现不拆箱操作的FPGA程序在线升级。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置，包括：用于连接外部光纤的光纤接口，用于以太网帧传输的以太网芯片，用于存储FPGA配置文件和参数值的配置芯片，用于加载配置芯片中配置文件的不同镜像实现不同的逻辑功能的FPGA，所述光纤接口、以太网芯片、FPGA、配置芯片依次顺序连接，外部光纤经光纤收发器连接至安装有上位机升级软件的上位机。

所述配置芯片的存储区域划分为启动区、升级区、应用区和参数区，分别用来存储FPGA配置文件和参数值，FPGA配置文件包括启动镜像、FPGA升级镜像、FPGA应用镜像三部分。

所述启动镜像为开启FPGA多重镜像加载功能的16进制代码，启动镜像加载完成后会自动跳转到下一个镜像，启动镜像从配置芯片的起始地址开始存储，启动镜像中保存有下一个镜像的加载地址，因此可以通过修改该地址值实现FPGA不同镜像的加载；

所述FPGA升级镜像能使FPGA与上位机升级软件进行以太网通信交互，响应操作指令和配置文件传输，监视当前传输状态反馈给上位机，控制SPI控制器完成对配置芯片的读写，并校验程序、记录程序版本，从而实现将配置文件安全可靠的传送到配置芯片的过程；

所述FPGA应用镜像用于存储所有应用功能的程序，同时也包括FPGA与上位机软件通信交互的程序，该交互程序可实现响应操作命令、返回反馈值等功能。

所述参数值包括当前应用镜像的修改时间、版本信息、校验值信息，方便上位机升级软件的查询。

所述的FPGA的型号须具备多重镜像加载功能，能将多个程序镜像加载在一个FPGA配置文件中，根据需要实现不同程序的加载。

所述的FPGA与配置芯片之间设有用于连接配置芯片引脚与FPGA配置IO引脚实现FPGA的程序加载的第一复用SPI总线，以及用于连接配置芯片引脚与FPGA普通IO引脚实现FPGA上电后对配置芯片读写的第二复用SPI总线。

所述的FPGA包括以太网芯片控制器、以太网帧解析模块、命令处理模块、数据处理模块和SPI控制器。

基于光纤通信的FPGA程序在线升级的装置进行在线升级的方法，包括以下步骤：

步骤1、使用ISE Design Suite编译生成FPGA底层配置文件；

所述的FPGA底层配置文件包括启动镜像和FPGA升级镜像，打开Xilinx的ISE Design Suite软件的Creat PROM File界面，将启动镜像和FPGA升级镜像两个bit文件依次添加进来，可生成包含两个镜像的mcs文件，即底层配置文件。