基于Quickboot技术的FPGA在线升级_宋志毕.pdf

年第期 基于 技术的 在线升级宋志毕，方芳（中国电子科技集团公司 第五十研究所，上海 ）摘要：介绍了基于 技术进行 在线升级的原理，结合具体的 和 芯片给出了具体实现过程和步骤，包括对存储区域划分、重配置、头的说明，并设计了数据通信帧格式和软件操作流程。该方法不需要额外增加器件，可靠性高、易于实现。关键词：；在线升级；中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言当前，很多产品对 提出了可进行在线升级的功能要求。通过产品的外部通信接口实现 的在线升级，可以降低后期产品的维护成本。本文介绍了基于 的 技术实现 在线升级的方法，并结合具体的硬件说明了实现 在线升级功能需要注意的事项。该方法不需要添加额外的硬件设备，有效降低了硬件设计难度和开发成本。升级原理 提供了一种被称为 的在线升级方案，支持全部的系列 ，可兼容多种配置方式（如 、等）。方法的配置过程及所包含的组件如图所示。配置 芯 片 中 需 包 含 一 个 特 殊 的 头、位流和 位流。位流是不可升级的配置文件，在出厂时烧写进 中，用于保证后期在线升级失败情况下能回到出厂状态。位流是可升级的配置文件，产品正常上电后需要加载的配置文件为 位流文件。图 方法的配置过程及其组件 头文件用于告知 配置逻辑加载哪个配置，在正常情况下，上电后加载 位流配置文件，若在线升级失败，则加载 位流配置文件。头包含关键字和热启动跳转序列。先从 地址开始读取配置文件，若在 头中的关键字位置检测到正确的值，则执行热启动跳转序列，读取 位流，否则忽略热启动跳转序列读 取 位 流。配 置 模 式 的 关 键 字 为 ，配置模式的关键字为 。为了保证在线升级失败后能回到出厂状态，在开始程敬请登录网站在线投稿（）年第期 序升级前需要关闭 头关键字，当 位流区域升级 完 毕 且 校 验 通 过 后 再 打 开 头 的 关键字。在线升级实现本文采用的 为 的 。由前文可知，需要存储 头、与 位流配置文件，因此容量需要满足大于倍 配置文件（文件）大小，的配置文件（文件）大小为 字节，本文选用 的 串行 ，可满足该要求。配置模式采用主 模式，在对 的 配置芯片进行初次配置时，通过 擦除整个 ，分别将 头、位流区域和 位流区域 的 配 置 文 件 分 别 烧 写 到 中。进 行 在 线 升级时，通过通信接口将 位流区域 配置文件烧写到 中。配置及升级过程如图所示。图配置及升级过程 硬件电路 在线升级的优点是不需要对配置电路做特别处理，本文的 配置采用主 的模式。配置电路原理图如图所示。图 配置电路 、为 接口双向口，为 接口片选信号，为 接口时钟信号。的 引脚为专用引脚，该专用引脚需要通过 原语实现与用户逻辑的连接。本文的 实例化代码如下：（）（）（）（），：（），：（），：（），：（），：（），：（）（），：（）（），：（）（），：（），：（），：（），：年第期 （），：）；软件实现 存储区域划分由 升级原理可知，配置芯片中包含部分组件，头、位流区域和 位流区域。头实现同步和跳转，相关指令仅占几十字节空间，位流区域和 位流区域存储完整的 配置文件，具体大小与 型号有关，配置文件（文件）占用 字节 存 储 空 间。升 级 过 程 中 需 要 对 头 和 位流区域进行更改操作。在对 芯片 进行写操作之前，需要先进行擦除，有个擦除命令：子扇区擦除、扇区擦除和整体擦除。子扇区擦除每次擦除，扇区擦除每次擦除 ，整体擦除可以擦除整个 区域，因此 的最小擦除单元为。头、位流区域、位流区域以子扇区 为最小单位进行存储区域划分。头分为关键字部分和热启动跳转指令部分，关键字部分在线升级时需要进行更改，热启动跳转指令部分为固定部分，因此分配个子扇区：一个存储关键字，另一个存储热启动跳转指令。位流区域和 位流区域的配置文件大小相同，为 字节，占 个子扇区。存储区分配如表所列。表 存储区分配表地址内容 关键字 热启动跳转指令 位流区域 位流区域 头配置文件的生成 头实现同步和地址跳转，提供的热启动地址设 置 指 令 和 执 行 指 令 使 配 置 逻 辑 能 跳 转 到 位流区域加载 配置文件。头文件为 配置文件，遵循 文件格式。主要内容如图所示。图 头配置文件内容 头配置文件中的命令说明如表所列。表 头配置文件命令说明命令说明 为 配置模式关键字（同步字）写 配置选择寄存器指令，后面跟字节的 配置选择寄存器设置值。本文设置为 ，位 ，因此后面的数据为 写热启动起始地址指令，后面跟字节的热启动起始地址值。这里需要注意，后面跟的是要跳转到的位流起始地址，地址 为 右 移 字 节 后 的 值，本 文 的 起 始 地 址 为 ，因此后面的数据为 写命令寄存器指令，后面跟字节的命令寄存器设置值。设置值为 ，表示 命令，用于触发热启动。在配置逻辑接收到 命令后，将跳转到设置的热启动地址处重新进行配置操作 空操作指令 伪指令 头配置文件的其他位置需填充伪指令。通信数据帧设计 的配置文件通常都较大，因此在通信传输上将文件进行分段传输。本文的数据帧格式如图所示，包括个段，即帧头、帧内容、校验、帧尾。图通信数据帧格式帧内容分为两段，包括帧类型和配置文件及其校验字的子包。其中，帧类型分为起始帧、中间帧和结束帧。配置文件校验字是对整个配置文件的校验，执行升级功能的模块接收完整个配置文件后对 位流区的文件进行校验，并与该校验字进行比较，判断 位流区文件的完整性。对配置文件分包的子包长度可按照字节进行设计，以利于在进行 写入时的边界对齐，降低升级功能模块的逻辑复杂度。子包大小不宜过大也不宜过小，过大将增加升级功能模块的资源占用，过小会降低通信传输效率。敬请登录网站在线投稿（）年第期 升级流程在线升级软件操作流程如图所示。图在线升级软件操作流程 上电默认为字节地址模式，寻址范围为 ，本方案寻址范围为 ，因此首先执行进入字节地址模式指令，以实现对 后面地址的存储空间进行读写和擦除操作。然后开始接收升级数据帧，并将数据写入 位流区。若是第一帧数据，则首先对关键字所在子扇区进行擦除。若是中间帧数据，则将数据写入 位流区，由于一次擦除整个 位流区域耗时较长，为了避免升级控制端软件等待擦除整个 位流区时间过长，对位流数据的升级采用擦除个子扇区写个子扇区的方式。若是结束帧，则向 位流区正确写入该帧数据后，对写入 位流区域的数据进行校验，校验通过则向关键字子扇区的地址 处写入 。最后重配置 ，加载升级后的配置文件。配置重加载在接收完升级数据包后进行的配置重加载需要用到 原语，其实例化代码如下：（），（），（），（）（），：（），：（），：（），：（），：）；重配置控制流程如图所示。需要注意的是，的输入 时 钟 频 率 范 围 为 ，字节的传输顺序为低比特位在前、高比特位在后。图重配置控制流程 实验验证为 了 验证 升 级 成 功和 升 级 失 败后能否 加 载 正 确 的 配 置 文件，创建了个工程，个工程有相同的升级功能模块，仅在驱动外部 灯时闪烁频率不一致，以区别 加载的是哪个工程。工程：每 闪烁一次；工程：每闪烁一次；工程：每闪烁一次。工程为 位流区配置文件，工程为 位流区配置文件，工程为待升级配置文件。首先生成工程与工程的 配置文件。在生成 配置文件时，设置接口为 ，位流起始地址分别为 和 。头文件的 配置文件可采用 提供的脚本文件或者自行编写程序生成。采用 的脚本文件需要根据具体的工程地址分配情况对脚本文件进行适当修改。本文采用自行编写程序的方式生成 头文件的 配置文件。将 头文件和工程与工程的 配置文件通过 烧写到 配置芯片中，上电后可以观察到 灯每闪烁一次。然后进行在线升级，将工 年第期 程的配置 文件通过通信端口发送给 完成升级，升级完成后可以观察到 灯每闪烁一次。再次进行在线升级，在升级过程中中断升级，重新上电可以观察到 灯每 闪烁一次。结语本文详细介绍了基于 技术的 程序在线升级原理，给出了在线升级功能工程化的软件方案和流程，并针对实现在线升级功能的关键点进行了详细说明。该升级方法不仅在本文中 的 芯片和 的 芯片上进行了实验验证，而且 在 国 产 复 旦 微 电 子 芯 片 和 芯片上也进行了应用。参考文献王伟伟，闫新峰，修展，等 基于 的在线重构设计方法计算机测量与控制，（）：，虞亚君，桑坤，赵参一种 的高速串行在线升级控制器设计单片机与嵌入式应用系统，（）：，李林瞳，石云墀，张凯，等 适用于微小卫星在轨更新与模式切换的 配置方案设计 通信技术，（）：陈岚，李纪云，朱人杰 基于 和 实现 的多重加载 电子应用技术，（）：宋志毕（工程师），主要研究方向为嵌入式系统设计、信号与信息处理；方芳（工程师），主要研究方向为嵌入式应用、工控软件。通信作者：宋志毕，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）杨霞，雷林，吴新勇，等采用数字签名技术的可信启动方法研究电子科技大学学报，（）：刘国杰，张建标基于 的服务器可信 启动方法网络与信息安全学报，（）：王勇，尚文利，赵剑明，等 基于 的嵌入式可信计算平台设计 计算机工程与应用，（）：冷冰，庞飞基于国产处理器的可信计算平台构建方法通信技术，（）：孟祥斌，刘笑凯，郝克林可信技术在国产化嵌入式平台的应用研究电子技术应用，（）：孙瑜，田健生，杨秩 一种利用 实现固件主动度量的可信主板实现方法：中国，张翔（工程师），主要研究方向为信息安全、嵌入式软件设计；王元强（高级工程师），主要研究方向为信息安全、嵌入式硬件架构设计；聂云杰（高级工程师），主要研究方向为信息安全、电力加密认证技术；杨晓林（工程师），主要研究方向为硬件系统设计；赵华（工程师），主要研究方向为电力加密认证技术、嵌入式软件设计；陈民（高级工程师），主要研究方向为物联网关设计、电力可信计算。通信作者：张翔，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）逐点半导体为腾讯 游戏手机系列带来影院级画质体验专业的创新视频和显示处理解决方案提供商逐点半导体今日宣布，华硕新发布的腾讯 游戏手机系列搭载来自逐点半导体的视觉显示方案，包括全时 、画质增强、专业的色彩校准方案、调光等先进技术，为用户带来更加沉浸真实、舒适护眼的视觉体验。腾讯 游戏手机系列采用高通公司第二代骁龙移动平台，配备 英寸 屏幕，支持 峰值亮度，分辨率为 ，刷新率最高可支持 。为更好地发挥屏幕的显示性能，该系列手机继续采用逐点半导体专业的视觉显示技术，从不同维度入手深入提升画面的显示质量。逐点半导体的视觉显示方案助力腾讯 游戏手机系列在以下方面提升视觉体验：全时 可将 （标准动态范围）格式的视频内容实时转化为 （高动态范围）效果，使 视频在屏幕上显示更丰富的色彩和更高的对比度，让用户在手机上也能轻松获得影院级画质。画质增强 通过全新的动态高精度 色调映射进一步增强 视频画质，达到趋近 的显示效果，在屏幕上呈现更生动更立体的画面，进一步提升视觉沉浸感，该功能已获得 、和 视频应用的 认证，用户可访问以上 获取更多高质量 内容。专业的色彩校准 每部腾讯 游戏手机系列都采用了公司的高效校准软件进行工厂校准，从 尼特到最高峰值的屏幕亮度，平均 （衡量色彩准确度的指标）始终小于，可在屏幕上还原本真的色彩。真实的肤色 校准后的肤色解决方案可确保所有显示模式的准确性，呈现所有内容中真实人物的逼真肤色，无论是照片中、手机拍摄的视频中还是流行电影中的人物。色偏校正 作为显示调整过程的一部分，此功能通过校正低亮度下屏幕面板上发生的色偏，确保了整个屏幕色彩在低亮度下的准确性。