FPGA燒寫的方式和具體過程分析

FPGA燒寫的方式和具體過程分析做了三年四個項目最近才第一次需要深入的搞一下FPGA燒寫。在這里簡單總結(jié)一下FPGA燒寫的具體過程和玩的花樣大家常用的辦法對于大部分人來說，至少入門時會用到的燒寫方式就兩種：①通過JTAG直接將bitsteam燒錄到FPGA。斷電后信息丟失。這種方式多用于發(fā)開調(diào)試階段，板子一直連著電腦。通過ISE或者Vivado（2020年開始估計還有Vitis）使用JTAG接口燒錄。②在設(shè)計release以后，到產(chǎn)品上一般都是把配置文件通過IDE工具保存存在NorFlash里。上電后自動編程FPGA。較為進階的一種方法通常情況下這兩種方式也就可以滿足大部分需求了。開發(fā)調(diào)試直接JTAG。產(chǎn)品出貨前，配置文件通過JTAG接口，用VIVADO或者SDK等工具燒進Flash。之后把接口封起來。產(chǎn)品需要更新的時候，派技術(shù)支持去，重新打開接口，插上JTAG，把新的配置文件燒入Flash。但是這次項目是個小型手持測量設(shè)備，JTAG接口只有在設(shè)備拆散狀態(tài)下通過擴展板才能使用。組裝好后FPGA只能通過Flash來編程。由于是個精密儀器，每次拆開再組裝，整個設(shè)備都需要重新校準，非常費事費力。組裝后更新Flash里面的配置文件只能用別的辦法了。這種情況下常用的方法是通過一個和外界有通信能力的微控制器將image發(fā)送給FPGA，再由FPGA寫入Flash。這種remoteupdateXilinx提供了一種解決方案，相對應(yīng)的ApplicationNote是：QuickBootMethodforFPGADesignRemoteUpdate（文檔號碼XAPP1081）采用這種方案的前提是理解FPGA通過Flash配置的細節(jié)，所以以7系FPGA為例先需要看一下這個文檔：7SeriesFPGAsConfiguration（UG470）主要是看第五章：Chapter5ConfigurationDetailsXilinx遠程燒錄FPGA方法遠程燒錄一般是為了設(shè)備出廠以后還需對FPGA進行更新或者升級。為了避免在燒錄過程中新的配置文件損壞，導(dǎo)致FPGA不能正常啟動。通常采取的是雙保險策略，有個goldbitstream，是出廠是寫入Flash的，是測試過絕對可以啟動FPGA的，還有一個是updatebistream，出廠時就是一個goldbitstream的copy，F(xiàn)PGA每次啟動都是默認寫讀取這個updatebitstream。之后的更新也就是去重寫這個updatebitstream，一旦在更新過程出了問題，比如突然斷電。updatebistream損害或者殘缺，F(xiàn)PGA在嘗試從updatebitstream啟動失敗后就會去讀取goldbitstream。這種方法保證了一個相對安全的update方法，所以也是一種非常經(jīng)典的方法。去掉廢話來概括這種方法每一個bitstream都長這樣：FPGA會先去找synchroword（7系列的spi接口的話就是0xAA995566）找到以后讀取首地址，然后跳到首地址，開始讀取所有的配置數(shù)據(jù)。此文介紹的這種雙保險策略就是在Flash中存入兩個bitstream。但是精髓所在是這兩個Bitstream在內(nèi)存中怎么放。如下圖所示，update的bitstream會被拆成兩段，synchronword和首地址會被存在goldbitstream前面，然后其他部分存在goldstream之后。而且updatebitsteam尾部還會人為加入一個CRC。這種鬼畜結(jié)構(gòu)的目的這種結(jié)構(gòu)可以提供一種非常安全可靠的update模式。為什么會安全可靠。先來說一下這種結(jié)構(gòu)下的update流程：當我們想要updatebistream的時候：①首先updatesynchroword和首地址所在的sector（Flash里可以擦除的最小單元）會被擦除。②然后開始在update所在的地方擦除所有內(nèi)容，寫入新的bitstream。包括CRC。（這個CRC是生成bitstream的時候加入的。具體操作看下一章）。③當寫入結(jié)束后整個新寫入的內(nèi)容會被讀出來計算CRC，然后和嵌入的CRC來做比較。當CRC一致時，說明在傳輸和寫入過程沒有出現(xiàn)問題。新寫入的配置內(nèi)容完整，有效。這時update的synchroword和首地址才會寫入最開始被擦除sector。這樣一來，如果CRC不一致，說明這是個badupdate，新寫入的配置內(nèi)容不可用。那么被擦除的synchroword和首地址不會被寫入。第一個sector是空的。當FPGA上電后，它是在這個sector里找不的updateimage的同步字和首地址的，繼續(xù)讀下去會讀到屬于goldbitstream的同步字和首地址。如下圖所示：實際操作步驟和文檔中的坑首先好消息是，上述的這些Flash擦除，寫入，各種地址，sector，page等等Xilinx已經(jīng)寫好了VHDL的模塊?？梢灾苯幽脕碛?。自己需要實現(xiàn)的是remote端往FPGA的數(shù)據(jù)傳輸。具體如下圖：具體實現(xiàn)步驟如下：①實現(xiàn)remote端的update程序，該程序需要讀取updateimage然后通過某種接口和通信協(xié)議將image發(fā)送給FPGA。這一步該需求和情況自由發(fā)揮。例如物聯(lián)網(wǎng)的可以用藍牙或者WIFI。②實現(xiàn)FPGA端的數(shù)據(jù)接收。該模塊將數(shù)據(jù)寫入Xilinx提供的FlashProgrammer③下載XAPP1081文檔中的例子KC705BoardDemonstrations，page33。例子中兩個VHDL模塊按下圖實例化。注意這兩個模塊必須共用一個時鐘，而且這個時鐘就是SPI的時鐘，所以注意不要太快。一般20Mhz一下。④集成前三條實現(xiàn)的模塊，調(diào)試?？梢詫崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)從remote端發(fā)送給FPGA，經(jīng)過SPiFlashProgrammer寫入Flash。⑤把bitstream格式轉(zhuǎn)換成mcs格式。將goldbistream。bit格式轉(zhuǎn)換成mcs格式。VIVADO下使用tcl命令write_cgfmen-formatmcs-interfacespix1。一定要加-interfacespix1，不然所有的bits都會被swap?、尥ㄟ^Xilinx例子中提供的PerlScript生成goldinitimage。script的輸入就是剛才轉(zhuǎn)換的mcs格式的goldbitstream.mcs。輸出之一是goldinitimage這個image就是圖4中描述的那種鬼畜布局的雙bitstream，只不過兩個bitstream是一樣的。updatebitstream是gold的copy。⑦將goldinital.mcs通過VIVADO或者PROMgen用JTAG直接燒入Flash⑧同樣的方式用PerlScript生成updateimage。輸入是xxx.mcs。輸出之一是xxx_update.mcs。這個就是上文所屬的加了CRC的updateimage。生成過程中perlscript會給出Flash的首地址和結(jié)束地址。將SpiFlashProgrammer中的首尾地址改成這兩個地址。注意：因為首尾地址是寫在VHDL里的，也就是說Image的大小是固定的。為了防止在未來，updateimage變大。可以預(yù)留一部分出來。例如：目前的大小是3.3MB。我們預(yù)留0.7MB給未來可能出現(xiàn)的更新。那么我們需要生成的image需要4MB大。這是要給perlscript一個附加的agrument：-imagesize32⑨將xxx_update.mcs轉(zhuǎn)換成.hex文件。網(wǎng)上有不少工具可以。實在不行谷歌一下mcs格式，自己寫個script轉(zhuǎn)換一下。⑩FPGA上電，取消SpiFlashProgra