FPGA遠程更新設計的需求分析

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註：本篇是一個需求分析，不涉及具體的FPGA型號和工具的使用。

FPGA可重配置帶來了很高的靈活性，所以基於FPGA的設計/產品往往也會有後期更新/升級的需求。同時，需要更新/升級的FPGA板卡由於物理條件的限制，可能無法現場升級。比如：

1.FPGA板卡部署在異地機房中，無法隨時進入機房進行升級（異地來回成本及機房不允許隨便出入的限制）。

2.FPGA板卡部署在相對複雜的環境中，例如無線通信設備安放在通信塔台上，或者客戶手中的設備無法由供應商一一回收升級。

3.FPGA升級對系統影響較大，不方便隨時升級。比如PCIE設備受到系統匯流排的監測，隨便的更新可能導致機器重啟，在一些要求嚴格的環境中是不能允許的。

所以就有了對FPGA進行遠程更新的需求，需要滿足下面幾個限制條件：

1.可以在滿足一定條件下（類如可用網路進行遠程訪問），進行遠程的升級（不一定需要全自動化，但全自動化更方便）；

2.更新過程中不能對系統帶來影響，以防止系統錯誤地實施保護措施（例如伺服器重啟）；

遠程更新，整體分為兩部分：1）數據傳輸；2)更新鏡像；

數據傳輸部分可以選擇的方案非常多，比如可以通過網路將數據傳遞過去。通常會借用以有的通信介面來實現。如果FPGA板卡是部署在計算機中，那麼先將數據通過網路傳遞給計算機，然後再由計算機轉發給FPGA進行鏡像更新，也是可以的。這其中數據傳輸主要由上位機來實現。所以對數據傳輸部分，並沒有嚴格的要求。通常FPGA遠程更新的設計重點，在如何更新鏡像。

更新鏡像這一概念，會有兩個完全不一樣的概念，需要先說清楚。

1.更新FPGA的配置

這種方案對應Xilinx的bit文件下載和Intel(Altera)的sof文件下載，更新的是FPGA的配置，立即生效。這種方案存在的問題是配置過程中，FPGA的原有配置會被清除掉。此時系統可能做出不正確的反應。例如使用FPGA實現的PCIE設備可能會由於重配置導致PCIE功能失效，部分伺服器檢測到PCIE設備異常會觸發重啟，帶來影響。

2.更新存儲FPGA配置鏡像的Flash

這個方法更新的目標是存儲FPGA配置的存儲器（通常是Flash）。

更新Flash過程中，通過一些措施使FPGA原有設計繼續工作不受影響，完成後並不立即生效，FPGA依然是舊鏡像；更新Flash之後，在合適的時間觸發FPGA的重新配置，配置過程中更新的鏡像數據會送往FPGA進行載入；整個過程是相對可控的，所以對系統的影響較小。

所以，可以看到，遠程更新方案的需求，總結為以下三點：

1.利用以有的數據通道傳輸數據

2.將更新數據寫入存儲FPGA配置信息的存儲器中

3.更新Flash的過程中，不要影響FPGA的正常功能

其中第一點，由於可選方案非常多，需要根據系統的需求來決定，所以本文不做深入討論。下面重點探討後兩點。

FPGA有多種配置/載入方式。粗略可以分為主動和被動兩種。主動載入是指由FPGA控制配置流程，被動載入是指FPGA僅僅被動接收配置數據。

最常見的被動配置模式就是JTAG下載bit文件。此模式下，主動發起操作的設備是計算機，數據通路是JTAG，FPGA會被動接收數據，根據需要的操作來進行更新FPGA配置。而上位機如何獲取配置數據就非常靈活了，可能是本地運行EDA工具生成的，也可以是網路/USB存儲設備獲取的。

主動配置就是FPGA在配置過程中處於主導地位，主動發起對Flash的讀寫，獲取配置信息進行配置。

下面利用間EDA工具自帶的燒錄Flash的操作為例，分析一下具體的燒錄過程。

在Vivado中可以使用bin文件和mcs文件燒錄Flash，在Quartus中可以用jic文件更新Flash。通常情況下，完整的過程是：

1.上位機主動發起配置，FPGA被動接收數據進行重配置，此時的配置模式是上文提到的基於JTAG的被動配置。此操作的結果是將FPGA配置為一個Flash的讀寫器。

2.配置完成後，上位機開始發送/接收Flash的數據，數據通道為JTAG。FPGA通過JTAG接收到數據之後，根據需求發起對Flash的讀寫操作，將需要更新的數據寫入Flash，完成更新。此過程是更新Flash的過程，燒錄過程中Flash只收到FPGA的控制。

3.Flash更新完畢後，在合適的時候讓FPGA進行重新配置（例如重新上下電），FPGA會開始主動配置過程，從Flash中讀取配置數據完成載入。

這種燒寫Flash的過程通常稱為間接編程（間接燒錄）。Xilinx可以在工具的Help文件中找到詳細的描述。

間接編程是先把FPGA配置成一個Flash讀寫控制器，然後再通過這個讀寫控制讀寫Flash，所以配置過程可以看到FPGA先被載入成功，然後才會進行後續的Flash操作。Xilinx中，這個Flash讀寫控制器是保存在工具安裝路徑中的。ISE中稱呼為cor文件。

Vivado是直接保存了bit文件，並提供了三種模式，區別在於沒有用到的Pin是出於上拉、下拉還是高祖狀態。

Intel（Altera）的這種模式使用的文件後綴是jic，全稱是JTAG Indirect Configuration File。直接翻譯是JTAG間接配置文件，原理和上述Xilinx的描述完全一樣。在Quartus的Programmer界面中，當添加了Jic文件之後，可以看到有一個Factory default SFL image，就是將FPGA配置為Flash控制器的鏡像。

燒錄Flash的時候可以關注一下控制台列印的消息，可以看到第一步配置成功後才對Flash進行讀寫控制。關於Xilinx和Interl（Altera)平台的具體操作，專欄會有後續文章進行分析。

根據配置的不同，也可以分為主動更新和被動更新兩種。

如果是被動更新，那麼通常配置過程會有一個主動發起的設備，常見有MCU。這樣配置過程相對容易，數據的傳輸、存儲和讀取都交給主設備操作。整個更新過程按要求更新即可，然後再合適的時間重新載入FPGA即可。FPGA本身幾乎和更新過程完全隔離，所以也很容易滿足需求。

主動更新則相對麻煩。首先，Flash很可能只於FPGA有數據介面，表明Flash的讀寫只能從FPGA來發起；其次，由於FPGA需要發起Flash的更新寫入，所以FPGA如何獲取數據也是需要考慮的問題。可以參考上文，主動配置更新Flash完整過程的描述，可以看到FPGA需要一個數據通路（JTAG）接收配置數據，並實現一個Flash的讀寫控制器來讀寫Flash。更新Flash完成之後，下一次配置被觸發（重新上下電）會主動發起讀Flash的操作，載入配置數據完成配置。

現在，應該對遠程更新有一些初步了解了。

如果條件允許，使用一個MCU作為遠程更新的主控設備，會讓方案簡單不少。而且可以利用軟體做更多的操作（例如數據的校驗）。通常這麼選擇的原因是系統中已經存在一個主控的MCU，就同時承擔遠程更新的任務。

如果FPGA板卡使用的是主動配置模式，由於Flash的讀寫只能通過FPGA來實現，同時JTAG直接更新FPGA鏡像可能無法滿足要求（比如不能每次上下電都需要用JTAG配置一次），那麼設計一個主動模式的遠程更新方案就很重要的。此時，即便系統中有MCU或者上位機，但是由於Flash只能被FPGA控制，所以MCU/上位機更多的是作為數據通信來發送FPGA配置數據，而更新Flash的步驟依然需要FPGA來實現。

可以看到，如果將更新控制交給MCU，則單獨下降了不少。配置過程中對FPGA的要求也不多，可以說大部分工作是外部設備（MCU）完成，FPGA工作量不多。所以討論的重點在於難度更大、FPGA工作量更多的主動更新方案。以此為基礎，目前的設計需求已經變為：

1.利用以有的數據通道傳輸數據給FPGA；

2.通過FPGA將更新數據寫入Flash中；

3.更新Flash的過程中，不要影響FPGA的正常功能；

1.利用以有的數據通道傳輸數據給FPGA；

由於數據傳輸的可選方法非常多，而且任何一個方案都是一個非常大的話題，這裡就不詳細描述了。推薦的做法是做握手控制，將數據逐一寫入Flash即可。設計要點在於數據傳輸和Flash讀寫的交互握手和跨時鐘域。

通常數據傳輸的速率高於Flash讀寫速率，所以使用緩存，一方面存儲空間容易溢出，另一方面更新操作的使用頻率並不高，為了一個低頻度的應用留一個大容量的存儲空間並不划算。所以使用交互握手來處理，相對較慢的更新速度對低頻度的Flash更新操作影響並不大，但帶來的問題就是交互過程中需要考慮跨時鐘。

2.通過FPGA將更新數據寫入Flash中

3.更新Flash的過程中，不要影響FPGA的正常功能

這兩點需求都是要求FPGA實現的，具體方案就是FPGA收到數據後開始對Flash的讀寫操作，將數據正確寫入到Flash中去。關於這一點，由於和具體的FPGA相關，之後會有分別針對Xilinx和Intel（Altera）平台的文章進行進一步分析。

通過完整的分析，應該對遠程更新需要做的事情有個大略的了解。出去數據通路會隨著系統的不同而變化，FPGA端的讀寫控制是必然的需求。專欄後續文章會針對FPGA內部的Flash控制器及完整流程做一個更詳細的分析。

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