摘 要： 介紹了一種基于XILINX FPGA的在線程序升級方案，該方案不需要額外增加器件，在不改變硬件狀態的前提下，實現產品的軟件功能升級。由于對配置芯片（PROM）的所有操作均由FPGA的內部邏輯實現，故此方案具有良好的移植性和擴展性。
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0 引言

本文的研究課題是基于一種已應用在某型號上的彈載測試設備，因總體要求有變，需要對出廠后的產品功能進行升級。由于此類產品在出廠前都需要進行特殊的工藝處理，產品交付后不具備開蓋重復燒錄程序的條件，且根據型號研制要求，彈上設備在完成系統匹配試驗和綜合試驗后禁止拆卸維修，因為設備拆卸后，狀態遭到破壞，前期進行的各項試驗需要重新評估，影響到型號研制進度。為解決這個難題，本文提出了一種在線程序升級方案，在不破壞產品硬件狀態的前提下，利用FPGA靈活的內部邏輯資源實現自身的軟件功能升級。

1 應用背景

隨著內部資源的日趨豐富以及可重復配置的優勢，FPGA在測試設備中擔任了重要的角色，實現的功能也日趨復雜化和多樣化，對產品功能實現重配置的應用需求也在日益加大。產品功能重配置是在不改動設備硬件狀態的前提下，通過更新FPGA的程序文件，達到產品功能更改及升級的方法。目前主流的應用方案是使用MCU(或DSP)+存儲芯片的架構[1]，MCU負責存儲芯片的讀寫，存儲芯片作為FPGA的程序代碼存儲器，產品上電后，MCU將存儲芯片中的數據讀出，并按照特定時序（FPGA加載時序）發送到FPGA，此過程即為FPGA的數據加載流程[2]。此方案不適用于本文的研究課題，原因有二：首先，此方案需額外增加MCU和存儲芯片兩個芯片，印制板的布局難度加大，尤其對于本設備印制板上器件已經很多并無多余空間的情況更加明顯；其次，軟件的數量增多，增加了MCU軟件后，出故障的概率也隨之加大，由于MCU不僅需要對存儲芯片進行讀寫操作，還需要對FPGA的上電加載過程進行模擬，如果加載不成功，不僅產品的升級功能失敗，產品的基本功能也隨之失效，考慮到本產品的特殊應用場合，此方案風險較大，不宜采用。

本文采用的方案是在FPGA的內部構建功能模塊，由該模塊完成PROM芯片燒寫所需要的相關操作。在對產品進行軟件升級時，該模塊執行升級工作，不需要進行升級時，模塊閑置，不發揮作用。該模塊與產品的原功能模塊獨立運行，互不干涉。設備上電時，FPGA的程序加載流程仍由自帶的PROM配置芯片自動完成。該方案既沒有額外增加芯片，也沒有額外增加軟件個數，大大降低了出錯的風險。

2 功能實現

設備的系統連接框圖如圖1所示，設備通過RS-422接口與地面測控臺連接，地面測控臺通過網絡通信接口與計算機連接。測試設備的主控芯片FPGA為XILINX公司的Virtex-4系列XC4VSX35芯片，PROM配置芯片型號為XCF32PFSG48C，存儲容量32 Mbit[3]。

計算機通過網絡接口將燒寫文件發送到測控臺，測控臺通過RS-422接口將燒寫數據發送到設備，設備通過RS-422接口向測控臺反饋狀態信息。下面分別從燒寫文件的生成、測控臺與設備的通信協議、FPGA與PROM的連接、FPGA軟件設計4個方面進行闡述。

2.1 燒寫文件生成

XILINX設計工具（PROMGen）可生成多種格式的配置數據文件，這些數據文件可以存儲在PROM中，也可以存儲在其他非易失性存儲芯片中[4]。配置文件的常用格式見表1。

FPGA程序編寫完成，經過ISE(ISE Design Suite 14.2)開發環境綜合實現后直接生成.bit編程文件，該文件可由IMPACT工具通過編程器燒寫到PROM中。.bit格式文件是二級制配置數據文件，包含了頭文件數據，頭文件數據中包含PROM的相關信息，用于控制PROM燒寫過程，該格式文件適用于使用編程器燒寫。.hex文件為ASCII碼PROM文件格式，僅包含配置數據，不包含頭文件等信息，可使用PROMGen或iMPACT工具生成，.hex文件為本文采用的文件格式。

2.2 設備通信協議

測控臺與設備通過RS-422連接，采用異步串行通信，波特率為921.6 kb/s，8 bit數據位，1 bit奇校驗，1 bit停止位。對于RS-422的物理層通信，采用無校驗的方式。發送與接收采取數據幀傳輸，表2以測控臺發送的數據幀為例說明。