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Xilinx 7系FPGA远程更新方案——QuickBoot方式远程更新bit

一、远程更新背景和架构

对于非ZYNQ系列的常规FPGA来说，对于bit的更新一般使用JTAG进行烧录。而作为商用产品，想要进行OTA升级时，使用JTAG的升级方式显然不适合，因此，采用了Xilinx官方提供的QuickBoot方式进行能够更新固件，根据xapp1081的描述得知该方式的系统结构图如图1所示。

图1 远程升级结构图

图2 系统构成图
由图1可以看出，该远程升级方案支持以太网、PCIe、USB、SD卡、串口等方式实现，通过这些通信方式将需要更新的bit文件发送到FLASH中，当重新上电后，FPGA会自动从FLASH中读取新的bit文件。

二、远程更新工作原理

FLASH中存储两套可执行文件，分别为GOLDEN bits和UPDATE bits文件，其中GOLDEN bits和UPDATE bits都具备远程更新功能。
可执行文件initial.mcs中包含header 、GOLDEN bits和UPDATE bits文件，header文件中具备开关切换和地址跳转功能，可引导FPGA启动GOLDEN bits或者UPDATE bits文件。
具体如下：

header地址空间为0x00000000_{0x00001020，其中切换开关为0x00000FFC}0x00000FFF四字节，ON为0xAA995566，OFF通常为0xFFFFFFFF；地址跳转为0x00001008~0x0000100B四字节，此为UPDATE bits文件的起始地址。
可执行文件update.mcs只具备一套update程序。
initial.mcs和update.mcs是通过bit文件调用脚本生成的，initial.mcs文件是update.mcs文件的两倍大小，具体大小通过脚本进行指定。

将initial.MCS通过VIVADO烧写至FLASH中后，FPGA上电后启动逻辑会判断切换开关是否为0xAA995566，如果是，则读取地址跳转，进行跳转，启动UPDATE程序；如果不是，则继续读取大数据，判断到GOLDEN程序中的0xAA995566，启动GOLDEN程序。无论是GOLDEN还是UPDATE程序，都具备程序更新功能，即UPDATE损坏时，可通过GOLDEN进行更新UPDATE程序，UPDATE程序未损坏时可通过UPDATE更新自己。

三、具体实现

1、客户端服务器建立
本设计采用KC705平台实现，通过AXI_ETHERNET IP核实现mac功能，在SDK中使用echo server API调用LWIP协议创建服务器，PC端采用适合项目要求的工具开发上位机软件，使用TCP/IP协议实现客户端与服务器建立。
LWIP协议中每包数据最大1500字节，因此上位机中选择实际有效数据为1280字节，再加16字节协议头。
2、软核程序固化
程序在Vivado软件下生成system.bit文件，导入到SDK中生成软核.elf的可执行文件，在SDK中通过program FPGA中选择当前工程的.bit、.mmi和.elf文件生成download.bit，此download.bit为融合了FPGA程序和软核程序的最终文件，通过program FPGA可将程序烧写至FLASH中，也可以在VIVADO中生成mcs或者bin文件，将程序烧写至FLASH中。
3、软核AXI总线实现
软核通过网络收到PC机发送的数据包，需要通过AXI总线将数据发送至FLASH 烧写功能的IP，AXI总线具备字节读写和内存数据拷贝功能，函数如下：
static INLINE u32 Xil_In32(UINTPTR Addr)；
static INLINE u32 Xil_Out32(UINTPTR Addr)；
void Xil_MemCpy(void* dst, const void* src, u32 cnt);
4、FLASH烧写IP
目前FLASH型号为N25Q256,采用X1模式进行烧写。在FLASH中，地址空间为0x01FFFFFF，每个地址对应一个字节。在.vhd文件中，每次烧写一个字节，AXI总线收到数据后调整数据顺序，按字节烧写至FLASH中。
5、远程更新文件生成
1）将download.bit生成download.mcs文件和download.bin文件
cd 盘符:/工程文件夹/bin1
write_cfgmem -format bin -size 32 -interface SPIx1 -checksum -loadbit “up 0x0 download.bit” download.bin

cd 盘符:/工程文件夹/bin1
write_cfgmem -format mcs -size 32 -interface SPIx1 -checksum -loadbit “up 0x0 download.bit” download.mcs

其中
:-format支持bin和mcs文件两种格式。

2）通过download.mcs生成download_initial.mcs和download_update.mcs
exec xilPerl 盘符:/工程文件夹/bin1/MakeSpiFlashProgrammerMcsFiles.pl –imagesize 60 盘符:/工程文件夹/bin1/download.mcs

其中:
download_initial.mcs可用于直接烧写FLASH，包含header、GOLDEN 和UPDATE。
–imagesize，单位为Mbit， 可指定生成的download_initial.mcs和download_update.mcs文件大小，60Mbit = 7.5MB，即download_update.mcs为7.5MB，download_initial.mcs为15MB，
地址分配为0x00000000_{0x00001020-1为header，其中跳转地址为0x007F0000,0x00001020}0x007F0000-1 为GOLDEN程序空间，0x007F0000~0x00F00000-1为UPDATE程序空间。
3）将download_update.mcs转化为download_update.bin文件
promgen -p bin -r download_update.mcs -o download_update.bin
其中;
FLASH IP烧写中不具备将mcs文件转化为bin文件功能，因此需要通过ISE将mcs转化成bin文件。
download_update.bin可直接用于远程更新。