把相對成熟的技術應用到某些特定領域如通訊，視頻，信息處理等等開發出滿足行業需要并能被行業客戶接受的產品這方面主要是FPGA技術和專業技術的結合問題，另外還有就是與專業客戶的界面問題產品設計還包括專業工具類產品及民用產品。FPGA因為具備接口，控制，功能IP，內嵌CPU等特點有條件實現一個構造簡單，固化程度高，功能全面的系統產品設計將是FPGA技術應用最廣大的市場，具有極大的爆發性的需求空間產品設計對技術人員的要求比較高。為解決相關FPGA工程師及愛好者提供相關實際案例和電路參考，電子發燒友網隆重整合推出《FPGA設計實例全攻略》系列，后期會陸續推出相關章節，以饗讀者，敬請關注。

　　一、遠程在線更新FPGA程序的方法

　　1 概述

　　現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等優點，在航空航天、通信、工業控制等方面得到了大量應用。FPGA的處理器分為軟核和硬核，并且軟核處理器具有高度的靈活性和可配置性。

　　由于FPGA器件采用的是SRAM工藝，在斷電的情況下FPGA內的配置數據將丟失，所以需要非易失的存儲器來結合FPGA完成嵌入式系統的設計。EPCS（Erasable Programmable Configurable Serial）Flash屬于串行接口Flash，具有接口簡單、體積小、配置方便的特點，通常用來存儲FPGA的配置文件和NiosII的軟件可執行代碼。在經過合理的配置后，系統在上電后就可以從EPCSFlash中讀取這些文件來啟動整個系統。

　　為了能使系統得到更靈活的應用，充分發揮FPGA的靈活性、高效性，FPGA的軟硬件程序都需要方便的更新和升級功能；而當形成產品后，通過JTAG和NiosII IDE工具來聯合完成對EPCS Flash的更新燒寫很不方便。為此，本文結合Altera公司提供的工具，提出了一種遠程在線更新FPGA配置文件和NiosII程序文件的方法。

　　2 系統硬件結構

　　系統硬件結構如圖1所示。系統主要有上位機系統、FPGA系統、EPCS Flash三個主體部分。上位機系統提供人機交互的部分，FPGA系統包括NiosII處理器、EPCS控制器、網絡及串行接口和其他外部接口，EPCSFlash主要用于存儲FPGA的配置文件和Nios程序映像文件。上位機系統通過FPGA集成的網絡及串行接口來完成通信工作。

　　FPGA采用Altera公司的CycloneIII系統的EP3C40F48417N芯片。它具有低功耗、高集成度、易于使用的特性。EPCS Flash采用Altera公司的EPCS16SI16N芯片，它支持多種可配置的時鐘源，最高支持100 MHz的外部時鐘源，具有16 Mb的存儲空間，足夠滿足一般的FPGA配置文件和Nios程序文件的存儲需要。

　　3 更新程序處理流程

　　更新FPGA的配置文件和NiosII的應用程序的流程如圖2所示。

　　本方法把由NiosII IDE生成的FPGA配置文件和NiosII程序文件合并，并編程為一個可以直接執行的、包含FPGA配置文件和NiosII程序文件的二進制BIN文件。然后把該文件通過X-modem協議由上位機系統傳輸給NiosII的應用程序。NiosII的應用程序接收到完整的BIN文件后，把該BIN文件寫入到EPCS Flash中。最后，Nios II的應用程序停止看門狗，程序重新啟動，即完成了FPGA的遠程在線更新程序的過程。

　　4 合并程序文件

　　Nios II的啟動要經歷兩個過程：

　　①FPGA器件本身的配置過程。如果內部邏輯中使用了NiosII，則配置完成的FPGA中包含有NiosII軟核CPU。

　　②NiosII本身的應用過程。一旦FPGA配置成功后，NiosII就被邏輯中的復位電路復位，從reset地址開始執行代碼。

　　Nios II IDE將FPGA的配置文件（．sof文件）和應用程序（．elf文件）轉成flash格式文件，轉換后的flash格式文件是一種S-Record格式數據，包含如下區域：《type》《length》《address》《data》《checksum》。各字段的意思分別如下：《type》表示記錄的類型；《length》表示數據的長度；《address》表示數據寫入的起始地址，該字段的長度取決于《type》的取值；《data》表示存儲的數據；《checknum》表示校驗位。

　　配置文件和應用程序可能有多個段，每個段前面都插有一個“程序記錄”。一個“程序記錄”由2個32位的數據構成，一個是32位的整數，另一個是32位的地址，分別表示程序段本身的長度和程序段的運行時地址。其存儲布局如圖3所示。

　　為了在更新程序時把FPGA配置文件和Nios II應用程序一起更新，把FPGA配置文件和Nios II應用程序合并成一個文件，并且把合并后的Flash格式的文件轉換成不需要地址解碼就能直接執行的二進制BIN文件。具體處理流程如圖4所示。

　　在合并程序的過程中，去掉了flash文件中的長度、目的地址等用于解析程序的信息，并且把程序映像由字符格式轉換為二進制格式。合并后的BIN文件包含FPGA配置文件和Nios II應用程序，并且Nios II應用程序緊挨在FPGA配置文件的后面，其存儲布局如圖5所示。

　　5 Nios II更新程序模塊處理

　　Nios II程序中的更新程序模塊主要負責從上位機接收合并后的可執行BIN文件，并把該BIN文件寫入EPCSFlash，處理流程如圖6所示。

　　5．1 程序文件的傳輸

　　Nios II應用程序中的更新程序模塊和上位機系統采用X-modem協議傳輸程序文件，X-modem協議是一種網口和串口通信中廣泛用到的異步傳輸協議。

　　如果在程序傳輸過程中出現錯誤，更新程序模塊能夠通過設置超時來退出更新程序的狀態。

　　5．2 對EPCS Flash的讀寫

　　由于EPCS Flash的串行配置器件定義了特殊的讀寫協議，所以Nios II程序只能通過Altera提供的HAL API（Application Program Inter face，應用程序接口）來完成讀寫Flash。打開、關閉Flash設備的API為：alt flash open_dev（）和alt_flash_close_dev（）。操作Flash讀寫

　　的API為：alt_read_flash（）和alt_write_flash_block（）。清除Flash的API為alt_erase_falsh_block（）。

　　結語

　　本文以提高FPGA遠程更新程序的方便性為目標，提出了一種基于EPCS Flash的遠程在線更新FPGA程序的方法，從而在應用中能夠使基于FPGA的產品更加方便地維護升級。