0 导言
近些年来，因为其灵敏可装备性及本钱的下降，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在嵌入式体系中运用越来越广泛，不管产品的初期研制或是后期保护都不可避免地需求频频更新FPGA程序。传统的JTAG办法更新FPGA程序的办法是经过开发软件将需固化的文件写入Nor Flash器材。当体系很杂乱且需求更新的FPGA数量较多时，JTAG办法更新FPGA程序则费时吃力且还需拆结构。若在FPGA内部经过逻辑代码建立一Flash操控器完结对Flash器材的读写操作，即可并行完结体系内每片FPGA对装备文件的在线更新，大大缩短程序固化时刻。本文依托于Xilinx公司的FPGA和Spasion公司的Nor Flash，具体介绍了Flash操控器规划和在线加载功用的完结办法。
1 FPGA装备办法
以Xilinx Virtex6 系列FPGA为例，对装备文件的加载办法有串行Flash、并行Flash、JTAG办法等，其间最常用的是并行Flash办法（Byte Peripheral Interface Parallel Flash Mode，BPI），其装备形式如图1所示。
一种实践的FPGA与Nor Flash硬线衔接办法如图2所示。
无论是经过JTAG办法仍是经过软件操作完结程序更新，都是经过操控这些读写使能信号及地址线完结装备文件的写入，FPGA掉电重启之后再从Flash取出装备数据然后完结加载。本文提出的FPGA在线更新程序的办法则是经过FPGA操控逻辑驱动Flash的数据和地址，然后为多块FPGA并行更新程序的完结供给了条件。
2 Flash操控器规划
Flash器材的根本操作包含读、写、擦除等，这些操作都是经过向相应的指令寄存器写入特定的指令来完结的，这些指令的写入经过操作与FPGA相连的片选信号（ce_n）、写使能信号（we_n）、读使能信号（oe_n）、地址总线（addr［23:0］）和数据总线（dq［15:0］）完结。
以现在市场上常用的Spasion公司的S29GL-P系列Nor Flash为例，经过FPGA完结的操控器外部接口如图3所示。
其间，start信号用于发动操控器模块对Flash器材完结读写操作，在发动之前，须先奉告Flash装备文件巨细和装备文件在Flash存储空间的首地址；data_req、data_in和rd_data_count信号用于与一前端FIFO完结数据交互，装备文件先缓存到FIFO中，然后由操控器担任取出并写入Flash器材；config_status信号用于指示程序更新是否完结。
该Flash操控器按时刻上的先后顺序别离完结了对Flash器材的读ID、擦除和写缓冲操作，下面将别离进行扼要叙说。
每次对Flash进行根本的读写操作之前，会对Flash芯片进行读ID操作以查验器材的好坏，读ID触及的首要操作为向特定寄存器写入相应的解锁指令，然后再进行多操作读出相应的寄存器值，其时序图及读成果如图4所示。
确认了芯片ID无误，即可进行正确拜访，首要对Flash芯片进行擦除操作。Flash芯片擦除可分为两种：整片擦除和扇区擦除。因为实践运用时并未用到整块Flash存储空间，而是依据装备文件的巨细挑选适宜的扇区巨细存储装备文件，所以规划中选用的是扇区擦除办法，时序如图5所示。
当成功写入擦除操作指令之后，芯片会进入一个较长的周期等候擦除操作的完结，该期间无法对芯片进行复位之外的其他操作。
完结了擦除操作之后，即可向Flash写入装备数据，其对应的写缓冲时序如图6所示。
擦除和读写的过程中，地址将进行主动累加且开始地址可变。Flash的写操作可为单字写和缓冲写两种，因为缓冲写最大一次可向Flash写入32个字，为了最大化写入速度，挑选缓冲写办法；Flash的读操作分为单字读和按页读两种，因为Flash读数据速率较高且体系对读速率没有太高要求，本文挑选单字读办法。
3 工程运用及功用测验
以一实践项目工程为例，体系中具有10块FPGA进行程序更新，其在线加载功用体系架构如图7所示。
体系主控CPU运行在Linux体系下，CPU经过以太网与长途计算机进行通讯调试，一起经过PCIE或SRIO高速总线向每块FPGA下发装备数据，最终再由Flash操控器完结数据的写入。如前文所述，一次写缓冲操作的数据量为32个字，而装备文件的巨细有或许不是32个字的整数倍，所以还需求运用软件对装备文件进行补齐操作。单个FPGA在线加载流程扼要叙说如图8所示。
更新单块FPGA程序时，以一实践测验的3.47 MB巨细的装备文件为例，经FPGA在线更新程序固化的时刻和运用ISE14.7软件JTAG办法固化的时刻如表1所示。
Flash芯片手册中给出的典型擦除和写缓冲时刻别离0.5 s和480 μs，则可计算出理论上3.47 MB巨细的文件固化所需的典型时刻约为41 s。因为器材等要素影响，实测时用时往往大于该时刻，但整体来说，运用在线更新办法的耗时要比用JTAG办法耗时更少。
而当更新体系中的10块FPGA时，因为每块FPGA均可一起进行在线更新操作，程序固化所耗费的时刻与单块FPGA程序更新时刻开支大致适当，可见并行在线更新办法相较于传统JTAG办法无疑可以大大缩短时刻。
4 装备文件不断电加载和备份办法
每次更新完装备之后，一般做法是对FPGA进行断电重启完结从头加载，但工程运用时断电或许会影响体系其他模块的正常作业。为使FPGA在不断电的状况下主动加载更新完的装备程序，可经过装备FPGA芯片的PROGRAM_B信号来完结，BPI形式下的时序如图9所示。
考虑到若在装备过程中FPGA产生断电等反常，则Flash中的装备文件损坏，FPGA将无法完结加载，需求从头运用JTAG办法烧写装备文件。为避免该种状况产生，可分配Flash的一块区域用于备份装备文件，产生FPGA无法正常加载的反常时，可读取该备份装备文件完结FPGA再次正常加载，但条件是该部分Flash存储空间预先固化了带有FPGA在线更新功用的程序。
5 定论
本文使用FPGA逻辑规划了一款Flash操控器，完结了FPGA在线更新功用，因为FPGA直接操作Flash，因而比较传统FPGA程序更新办法具有更新速度快、硬件电路精简、易于体系集成等长处，一起可以完结杂乱体系多块FPGA并行更新程序，大大节省了程序固化时刻，便于项现在期开发及后期排故调试。
参考文献
［1］ Xilinx UG360，Virtex-6 FPGA configuration user guide［EB/OL］。［2015-11-18］.http：//www.xilinx.com.
［2］ Spansion.S29GL-P MirrorBit Flash family datasheet［EB/OL］。［2009-11-20］.http：//www.spansion.com.
［3］ 于乐，王嘉良。易于移植的FPGA在线更新操控器规划［J］。航空电子技术，2015（4）：47-50.
［4］ 杨鹏。根据Linux体系的FPGA芯片在线加载的规划和完结［J］。电子规划工程，2015（6）：161-164.
