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的處理器分爲軟核和硬核，並且軟核處理器具有高度的靈活性和可配置性。
由於FPGA器件採用的是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屬於串行接口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。在經過合理的配置後，系統在上電後就可以從EPCSFlash中讀取這些文件來啓動整個系統。
爲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；而當形成產品後，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。爲此，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主要用於存儲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採用Altera公司的CycloneIII系統的EP3C40F48417N芯片。它具有低功耗、高集成度、易於使用的特性。EPCS Flash採用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程序文件合併，並編程爲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。然後把該文件通過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文件後，把該BIN文件寫入到EPCS Flash中。最後，Nios II的應用程序停止看門狗，程序重新啓動，即完成了FPGA的遠程在線更新程序的過程。
4 合併程序文件
Nios II的啓動要經歷兩個過程：
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配置成功後，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，轉換後的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，該字段的長度取決於<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。其存儲佈局如圖3所示。
爲了在更新程序時把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應用程序合併成一個文件，並且把合併後的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。
在合併程序的過程中，去掉了flash文件中的長度、目的地址等用於解析程序的信息，並且把程序映像由字符格式轉換爲二進制格式。合併後的BIN文件包含FPGA配置文件和Nios II應用程序，並且Nios II應用程序緊挨在FPGA配置文件的後面，其存儲佈局如圖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併後的可執行BIN文件，並把該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採用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
由於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爲：alt flash open_dev()和alt_flash_close_dev()。操作Flash讀寫
的API爲：alt_read_flash()和alt_write_flash_bLOCk()。清除Flash的API爲alt_erase_falsh_block()。
結語
本文以提高FPGA遠程更新程序的方便性爲目標，提出了一種基於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於FPGA的產品更加方便地維護升級。