第二章 FPGA OTA升级方案的分析及简单用例测试

1.FPGA配置更新基础介绍

1.1 FPGA的运行方式

FPGA程序运行的方式有两种方式：

（1）加载到本地RAM（掉电不保存）

（2）将程序固化到FLASH中（掉电保存），FPGA上电后自动从地址0加载固件

1.2 FPGA Multiboot介绍

Xilinx 7系列有Multiboot设计，这种设计允许在应用现场支持FPGA在线加载多种不同应用，并可支持回退。但是需要说明的一点，Virtex®-7 HT FPGAs 是不支持回退的。 Multiboot设计在配置过程出现错误，FPGA触发回退，确保FPGA不变砖。

Multiboot设计支持FPGA将bitstream 文件下载到指定的地址。通过一个内部生成的脉冲信号（IPROGRM）初始化跳转逻辑,地址在Golden bitstream WBSTAR寄存器。如果配置错误，回退到Golden Image加载。

Mulitboot详细的实施逻辑如下：

1.3 FPGA加载程序的流程

（1） 通过MCU配置FPGA，我们认识下FPGA的配置流程

如下图所示，是MCU配置FPGA的示意图，通过MCU将程序下载到FPGA上。

（2）配置流程

① 上电或者配置复位

配置复位：PROGRAM_B管脚生效

② 器件初始化

上电或者配置复位触发配置内存初始化，初始化阶段，FPGA会将INIT_B拉低，并复位内部配置状态机，并且清除配置内存；初始化完成时，FPGA释放INIT_B，INIT_B成为高阻态。当INIT_B释放成高阻态，外部上路电阻将INIT_B拉高。当INIT_B 变高，FPGA采用配置模式管脚M[2:0]状态，配置管脚决定FPGA配置模式。

M[2:0] = 111时，FPGA设置为Slave Mode； 当M[2:0] = 110时，FPGA设置为SLAVE SelectMAP模式。采样完引脚的模式后，FPGA准备接收配置数据（bitstream）

③ 配置下载：如果FPGA是配置成Slave Mode时，外部MCU能够将bitstream下载到FPGA。 对于Slave串行模式来说，通过FPGA_D01_DIN 引脚将bitstream下载进去，每个CCLK上升沿下载一个bit。

如果是Slave SelectMAP模式，当FPGA_CSI_B和RDWR_B管脚为低时，数据通过FPGA D[31:0]在CCLK上升沿下载

1.4 FPGA配置bitstream文件的组成

bitstream文件分为两部分，一部分是将基础版本，为Gold image；另一部分是更新程序，为最新程序版本update image。

FLASH的大小，FLASH大小必须是bitstream文件的两倍以上。目前开发板采用的是Artix-7系列的7A35T，bitstreams长度是17536096bits约等于16Mb，那么FLASH最小大小为32Mb.具体怎么计算，可以按照下列的流程进行。

FPGA配置文件称为“Bitstream”，FPGA的“Bitstream”长度是一定的，它的组成如下：

• Sync Word: 0xAA995566 (32bit)

• Device Identification: A device ID for checking the appropriate device is receiving the bitstream

• CRC check: 数据校验

1.5 FPGA配置模式

FPGA配置模式如下，其中主从模式的区别主要是时钟的来源。主模式的时候，来源于FPGA。

其中，Slave SelectMAP x16和x32 bus Widths不支持AES-encrypted bitstreams；

当管脚悬空的时候，默认模式时Slave Serial，因为FPGA内部有上拉电阻。

2 FPGA OTA方案实施

2.1 FPGA在线配置的实施架构

如下图所示，云端FPGA的bitstream文件通过SOC获取，SOC通过SPI将bitstream文件传给FPGA，FPGA通过SPI将bitstream文件写入FLASH。更新完后，SOC可以复位FPGA，FPGA重新加载程序即可。

2.2 FPGA在线配置的硬件需求

2.2.1 BOOT 模式的选择

根据官方Datasheet的建议，选择主模式，CLK由FPGA产生，接口两种形式，分别为“SPI接口”和“BPI接口”，我们选择SPI接口，硬件配置如下图所示。

几点说明如下：

• DONE是开漏，接上拉电阻；

• INIT_B是开漏，支持双向，需要上拉

• Bitstream启动时钟一定需要配置为SPI的CLOCK

• CCLK的信号完整性非常关键，需要终端匹配。

• DOUT不支持菊花链

• FPGA和FLASH的数据线有必要加上串联电阻，减少过冲

• 7系列的FPGA的VCCO_0的供电需要与SPI的I/o的VCC吻合

• 为确保FPGA复位的时候，FLASH也复位，FLASH的复位信号应该连接到FLASH的复位信号（防止FLASH正在擦写时候FPGA复位，导致FPGA配置失败）

2.3 FPGA在线配置功能模块详解

要实现FPGA在线配置的功能，首先需要FPGA举要BootLoader模块，这个模块就是Golden Image；其次就是应用程序，即Update Image。当然需要说明的一点就是，Golden Image是通过JTAG下载到FLASH里面，是初始化的第一步。

2.3.1 Golden Image模块的功能拆解

（1）SPI接口通信功能：SOC与FPGA的通信

（2）搬运功能的使能和关闭：SPI接收SOC的指令启动搬运功能，将update image搬运到FPGA的RAM中

（3）FLASH通信功能：FPGA与FLASH通信，对FLASH进行擦除、写和读

（4）跑马灯功能：指示Golden Image运行正常

2.3.2 Golden Image和update Image的配置 流程<ug908>

（1）通过Vivado编译生成bitstreams文件

（2）创建可配置文件.msc

（3）连接JTAG

（4）设置配置FLASH型号

（5）下载程序

(6) BOOT FPGA

2.3.3 Golden Image和update Image的配置实例

采用的FPGA是ALINX的开发板，FPGA型号是：ARTIX-XC7A35T-2FGG484

（1）确定配置方式，其中7系列的配置模式如下，主要分为两大类，分别为MASTER和SLAVE模式，主要区别就是数据驱动的CLK从哪里来。MASTER模式就是FPGA提供时钟，SLAVE模式时外部提供时钟。参考手册《UG470》

(2) 通过VIVADO配置Gold Image，其中GOLD 程序需要定位next boot address ,参考手册《xapp1247》

注意：由于我们选用的128Mbits的ROM，而非是128MBytes的ROM。因此在生成.mcs，地址设置是根据Byte计算。

比如我们将update Image的地址配置在ROM的中间位置，地址应该是 0x0040000，而非0x0400000.

VIVADO生产MCS 的脚本如下：

write_cfgmem -format mcs -size 16 -interface SPIx4 -loadbit {up 0x00000000 "E:/xapp1247-multiboot-spi/Vivado/Golden/Golden.runs/impl_2/Top_mudule.bit" } -loaddata {up 0x00400000 "E:/xapp1247-multiboot-spi/Vivado/Update/Update.runs/impl_2/update_module.bit" } -file "E:/xapp1247-multiboot-spi/Vivado/gold_update"。

同时为了有效跳转update，我们需要将在golden image的XDC文件设置如下：

A. 设置SPI接口和模式

#set_property CONFIG_MODE SPIX1 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]

set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]

B. 设置压缩模式，节省传输时间

#Compress the bitstream to fit on 128M QSPI

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]

C. 在Golden image设置好update image地址

#BITSTREAM PROPERTIES REQUIRED FOR GOLDEN IMAGE:

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR 0x0400000 [current_design]

为了在update image出现错误的时候，能够有限跳转回去golden image，我们需要将update image的文件设置如下：

A. 设置FALLBACK 使能

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE [current_design]

B. 设置压缩模式，节省传输时间

#Compress the bitstream to fit on 128M QSPI

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]

C. 设置SPI接口和模式

#set_property CONFIG_MODE SPIX1 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]

set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]

set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]

（3）配置后查看是否成功

• Hardware Device Properties可以监测Register BOOT_STATUS的状态，如下图所示，配置成功，成功跳转到update image执行

• 为了判断是否可以跳转，我们可以人为的制造CRC错误，用hex editor打开update 的bitstreams文件，强制修改CRC，可以实现FALLback.