CN105320531A - 一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法。本发明的方法包括如下步骤：***配置；***初始化；对码；FLASH擦除；升级文件写入；更新失败处理。本发明提供了一种只需要UART接口的简单可靠并耗时较少的FPGA在线更新方法。本发明的方法以MicroBlaze软核作为控制核心，直接利用MicroBlaze底层驱动对配置FLASH与UART接口进行操作，简单方便且耗时少，同时从可靠性角度出发设计了相关备份功能，具有很强的可操作性和可移植性。

Description

一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法。

背景技术

随着集成电路的不断发展，可编程逻辑器件FPGA因其功能强大、设计灵活、开发周期短等特点，受到越来越广泛的应用，并成为各级电路***中不可或缺的重要组成部分。尤其是在高要求的电子***设计中，一般都要求其具有通过UART接口进行在线更新的功能。如果采用常规的FPGA设计方法从底层编写逻辑同配置FLASH芯片进行数据通信，需要很大精力关注FPGA的配置方式以及FLASH的读写方式。

MicroBlaze软内核是一款由Xilinx公司研发的32位微处理器IP核，可以应用于Xilinx公司各个型号的FPGA器件。以MicroBlaze软内核作为核心处理器，协同其它外设的控制器IP核，可以实现完整的可编程***芯片(SoPC)设计。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：提供一种只需要UART接口的简单可靠并耗时较少的FPGA在线更新方法。

本发明的技术方案如下所述：

一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，包含以下步骤：

1)***配置；2)***初始化；3)对码；4)FLASH擦除；5)升级文件写入。

优选的，所述步骤1)***配置的具体方法如下：

采用MicroBlaze软核作为在线升级的控制核心，UART和FLASH作为外设直接和MicroBlaze相连；MicroBlaze通过LMB总线与本地存储器控制器相连，同本地块存储器生成的程序寻址空间和数据寻址空间进行交互，通过片上外设PLB总线同UART、外部FLASH、Timer定时器和GPIO外设进行通信，GPIO、Timer定时器和中断控制器外设作为虚拟外设，对切换信号Switch_flag和定时中断进行控制；

FPGA***的内部UART收发信号分别为Rx和Tx，基于MicroBlaze的在线升级***收发信号分别为Rxx和Txx，Rx与Rxx同时接收外部UART数据，升级指示信号Switch_flag作为切换信号开关，在进行在线升级过程中将MicroBlaze的Txx信号连接到外部UART，未进行在线更新时将Tx连接到外部UART，使整个***正常工作。

优选的，所述步骤1)***配置时，由虚拟GPIO外设设计实现指示信号，作为其他模块和在线升级子模块切换UART接口进行完整通信过程的依据。

优选的，所述步骤2)***初始化的具体方法如下：

首先对MicroBlaze内核进行初始化，然后对FLASH、UART、GPIO、Timer和中断控制器InterruptController进行初始化，初始化成功后按照FLASH类型将FLASH设置为可读写模式；若***初始化超时则结束程序，否则上位机发出对码指令。

优选的，所述步骤3)对码的具体方法如下：

接收到上位机的对码指令后，则执行对码，若对码成功，利用GPIO信号Switch_flag开关信号将UART回送数据从Tx信号切换为MicroBlaze的Txx信号，并返回对码成功指令，并发出FLASH擦除指令，进行FLASH擦除。若对码不成功则返回对码不成功标志，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

优选的，在操作UART时，波特率在MHS文件中修改；编写Flash驱动时，在MSS文件中调用EDK自带的XilFlash库函数。

优选的，所述步骤4)FLASH擦除的具体方法如下：

FPGA接受到擦除指令后，对外部FLASH执行擦除操作，成功擦除FLASH后，向上位机回送擦除成功指令；否则，返回擦除失败指令，进入等待状态，等待重新对码的指令。

优选的，所述步骤5)升级文件写入的具体方法如下：

上位机接收到擦除成功指令后，将FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成固定长度数据帧发送给FPGA，FPGA将这些文件写入，若写入成功，则将FLASH置为不可读写模式，并向上位机返回更新成功指令，完成升级；若写入不成功则向上位机返回帧更新失败指令，上位机重新向FPGA发送FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成的固定长度数据帧，连续三次帧更新失败后则返回FLASH更新失败指令，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

优选的，还包括步骤6)更新失败处理，所述步骤6)更新失败处理的具体方法如下：

在Flash中选取一段新的地址将更新文件烧写进去，同时在FPGA中利用ICAP原语对BootLoader进行改进，在异常情况发生时从备份地址启动，并且备份文件中包含在线升级功能，继续对原Flash进行在线升级，直到更新成功后将Bootloader切换成从原来地址启动。

本发明的有益效果为：

本发明的方法以MicroBlaze软核作为控制核心，直接利用MicroBlaze底层驱动对配置FLASH与UART接口进行操作，简单方便且耗时少，同时从可靠性角度出发设计了相关备份功能，具有很强的可操作性和可移植性。

附图说明

图1为本发明的在线升级方法流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法进行详细说明。

图1所示为本发明的一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法的流程图。

本发明的方法包括以下步骤：

1)***配置：本方法采用MicroBlaze软核作为在线升级的控制核心，UART和FLASH作为外设直接和MicroBlaze相连。同时由于FPGA的UART接口既能够实现在线升级功能，也能够进行其他方式的通信，因此为最大限度的提高在线升级模块的独立性与可重用性，MicroBlaze软核同时提供了一个指示信号作为在线升级指示标识，可作为其他模块和在线升级子模块切换UART接口进行完整通信过程的依据，指示信号由虚拟GPIO外设设计实现。

在FPGA在线升级模块中，MicroBlaze为控制核心，通过LMB总线与本地存储器控制器相连，同本地块存储器生成的程序寻址空间和数据寻址空间进行交互，另外通过片上外设PLB总线同UART、外部FLASH、Timer定时器和GPIO外设进行通信，构成一个完整的嵌入式***。在此，GPIO、Timer定时器和中断控制器外设作为虚拟外设控制切换信号Switch_flag和定时中断。

FPGA***的内部UART收发信号分别为Rx和Tx，基于MicroBlaze的在线升级***收发信号分别为Rxx和Txx，Rx与Rxx同时接收外部UART数据，升级指示信号Switch_flag作为切换信号开关，在进行在线升级过程中将MicroBlaze的Txx信号连接到外部UART，未进行在线更新时将Tx连接到外部UART，可使整个***正常工作。

2)***初始化：首先对MicroBlaze内核进行初始化，然后对FLASH、UART、GPIO、Timer和中断控制器InterruptController进行初始化，初始化成功后按照FLASH类型将FLASH设置为可读写模式。若***初始化超时则结束程序，否则上位机发出对码指令。

3)对码：接收到上位机的对码指令后，则执行对码，若对码成功，利用GPIO信号Switch_flag开关信号将UART回送数据从Tx信号切换为MicroBlaze的Txx信号，并返回对码成功指令，发出FLASH擦除指令，进行FLASH擦除；若对码不成功，则返回对码不成功标志，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

在操作UART时，波特率在MHS(MicroProcessorHardwareSpecification，微处理器硬件规范)文件中修改；编写Flash驱动时，在MSS(MicroProcessorSoftwareSpecification，微处理器软件规范)文件中调用EDK自带的XilFlash库函数，该函数库用于访问Flash，提供多种API接口实现Flash存储器的读、写、擦除、锁定和解锁功能，并与通用Flash接口兼容，有多种类型可选。

4)FLASH擦除：FPGA接受到擦除指令后，对外部FLASH执行擦除操作，成功擦除FLASH后，向上位机回送擦除成功指令；否则，返回擦除失败指令，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

5)升级文件写入：上位机接收到擦除成功指令后，将FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成固定长度数据帧发送给FPGA，FPGA将这些文件写入，若写入成功，则将FLASH置为不可读写模式，并向上位机返回更新成功指令，完成升级；若写入不成功，则向上位机返回帧更新失败指令，上位机重新向FPGA发送FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成的固定长度数据帧，连续三次帧更新失败后则返回FLASH更新失败指令，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

6)更新失败处理：为避免常规电子***由于异常原因升级失败，只能采取重新通过JTAG接口进行烧写情况的发生，本方法预先设计了备份更新程序功能。由于FPGA配置Flash大小一般较大，空间较为充裕，因此可在Flash中选取一段新的地址将更新文件烧写进去，同时在FPGA中利用ICAP原语对BootLoader进行改进，在异常情况发生时可从备份地址启动，并且备份文件中包含在线升级功能，可继续对原Flash进行在线升级，直到更新成功后将Bootloader切换成从原来地址启动。

使用本发明的方法，以614400bps的波特率通过RS422板卡进行程序在线更新，FPGA类型为XilinxV5系列XC5VSX95T芯片，外部Flash选用XCF128XFT64，大小为128MBit，升级文件大小为4464512个字节，按照固定协议可打包成22322个200字节数据包和一个112字节数据包，共22323个数据帧，经测试，基于MicroBlaze的在线更新***按照协议完整更新一次FLASH内容只需2分30秒。

Claims (9)

1.一种基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：包含以下步骤：

1)***配置；2)***初始化；3)对码；4)FLASH擦除；5)升级文件写入。

2.如权利要求1所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤1)***配置的具体方法如下：

采用MicroBlaze软核作为在线升级的控制核心，UART和FLASH作为外设直接和MicroBlaze相连；MicroBlaze通过LMB总线与本地存储器控制器相连，同本地块存储器生成的程序寻址空间和数据寻址空间进行交互，通过片上外设PLB总线同UART、外部FLASH、Timer定时器和GPIO外设进行通信，GPIO、Timer定时器和中断控制器外设作为虚拟外设，对切换信号Switch_flag和定时中断进行控制；

FPGA***的内部UART收发信号分别为Rx和Tx，基于MicroBlaze的在线升级***收发信号分别为Rxx和Txx，Rx与Rxx同时接收外部UART数据，升级指示信号Switch_flag作为切换信号开关，在进行在线升级过程中将MicroBlaze的Txx信号连接到外部UART，未进行在线更新时将Tx连接到外部UART，使整个***正常工作。

3.如权利要求2所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤1)***配置时，由虚拟GPIO外设设计实现指示信号，作为其他模块和在线升级子模块切换UART接口进行完整通信过程的依据。

4.如权利要求1或2所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤2)***初始化的具体方法如下：

首先对MicroBlaze内核进行初始化，然后对FLASH、UART、GPIO、Timer和中断控制器InterruptController进行初始化，初始化成功后按照FLASH类型将FLASH设置为可读写模式；若***初始化超时则结束程序，否则上位机发出对码指令。

5.如权利要求4所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤3)对码的具体方法如下：

接收到上位机的对码指令后，则执行对码，若对码成功，利用GPIO信号Switch_flag开关信号将UART回送数据从Tx信号切换为MicroBlaze的Txx信号，并返回对码成功指令，发出FLASH擦除指令，进行FLASH擦除；若对码不成功，则返回对码不成功标志，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

6.如权利要求5所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：在操作UART时，波特率在MHS文件中修改；编写Flash驱动时，在MSS文件中调用EDK自带的XilFlash库函数。

7.如权利要求5所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤4)FLASH擦除的具体方法如下：

FPGA接受到擦除指令后，对外部FLASH执行擦除操作，成功擦除FLASH后，向上位机回送擦除成功指令；否则，返回擦除失败指令，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

8.如权利要求7所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：所述步骤5)升级文件写入的具体方法如下：

上位机接收到擦除成功指令后，将FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成固定长度数据帧发送给FPGA，FPGA将这些文件写入，若写入成功，则将FLASH置为不可读写模式，并向上位机返回更新成功指令，完成升级；若写入不成功，则向上位机返回帧更新失败指令，上位机重新向FPGA发送FPGA源程序编译后的二进制bin文件拼装成的固定长度数据帧，连续三次帧更新失败后则返回FLASH更新失败指令，并进入等待状态，等待重新对码的指令。

9.如权利要求8所述的基于MicroBlaze软核的FPGA软件在线升级方法，其特征在于：还包括步骤6)更新失败处理，所述步骤6)更新失败处理的具体方法如下：

在Flash中选取一段新的地址将更新文件烧写进去，同时在FPGA中利用ICAP原语对BootLoader进行改进，在异常情况发生时从备份地址启动，并且备份文件中包含在线升级功能，继续对原Flash进行在线升级，直到更新成功后将Bootloader切换成从原来地址启动。