FPGA啟動(dòng)加載方式——FPGA實(shí)現(xiàn)串口升級(jí)及MultiBoot

在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中，FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）因其高度的靈活性和可重構(gòu)性，成為眾多領(lǐng)域的核心組件。特別是在需要?jiǎng)討B(tài)更新或調(diào)整系統(tǒng)功能的場(chǎng)景中，F(xiàn)PGA的串口升級(jí)和MultiBoot功能顯得尤為重要。本文將深入探討FPGA的啟動(dòng)加載方式，特別是與串口升級(jí)和MultiBoot相關(guān)的內(nèi)容。

一、FPGA啟動(dòng)加載方式概述

FPGA的啟動(dòng)加載方式是指FPGA在上電或復(fù)位后，如何從外部存儲(chǔ)器中讀取配置數(shù)據(jù)并加載到內(nèi)部邏輯單元中的過(guò)程。Xilinx公司的7系列FPGA提供了多種啟動(dòng)加載方式，包括正常上電自啟動(dòng)、Program_B復(fù)位加載、JTAG加載等。這些方式各有特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

二、正常上電自啟動(dòng)

正常上電自啟動(dòng)是FPGA最常用的啟動(dòng)方式之一。當(dāng)FPGA按照上電時(shí)序正常上電后，它會(huì)主動(dòng)從外部存儲(chǔ)器（如SPI Flash）中讀取配置數(shù)據(jù)（位流），并加載到內(nèi)部邏輯單元中。這個(gè)過(guò)程中，CCLK（配置時(shí)鐘）通常作為輸出信號(hào)，用于同步配置數(shù)據(jù)的讀取。外部存儲(chǔ)器中的配置數(shù)據(jù)通常是以幀的形式排列的，每幀包含101個(gè)32位字，用于構(gòu)成完整的配置比特流。

三、Program_B復(fù)位加載

Program_B復(fù)位加載是一種通過(guò)外部引腳來(lái)重新配置FPGA的方式。當(dāng)外部引腳Program_B被拉低時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，并等待重新配置。一旦Program_B釋放并拉高，F(xiàn)PGA就會(huì)從外部存儲(chǔ)器中重新讀取配置數(shù)據(jù)并加載。這種方式通常用于在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)更新FPGA配置的場(chǎng)景。

四、JTAG加載

JTAG加載是一種通過(guò)JTAG接口來(lái)配置FPGA的方式。JTAG接口通常用于調(diào)試和測(cè)試目的，但也可以用于加載配置數(shù)據(jù)。通過(guò)發(fā)送JProgram指令，JTAG接口可以觸發(fā)FPGA的加載過(guò)程。這種方式通常用于在開發(fā)階段對(duì)FPGA進(jìn)行編程和調(diào)試。

五、MultiBoot功能

MultiBoot是Xilinx FPGA提供的一種高級(jí)功能，它允許FPGA從多個(gè)配置文件中選擇性加載，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新或功能調(diào)整。MultiBoot功能通常通過(guò)嵌入在比特流文件中的IPROG命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。IPROG命令可以觸發(fā)FPGA從指定的地址加載新的配置文件。為了實(shí)現(xiàn)MultiBoot功能，F(xiàn)PGA的外部存儲(chǔ)器通常被劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)一個(gè)不同的配置文件。

在MultiBoot過(guò)程中，F(xiàn)PGA首先加載一個(gè)稱為Golden鏡像的默認(rèn)配置文件。Golden鏡像通常包含系統(tǒng)的基本功能和必要的啟動(dòng)代碼。一旦Golden鏡像加載完成，F(xiàn)PGA會(huì)嘗試加載存儲(chǔ)在指定地址的MultiBoot鏡像（也稱為Update鏡像）。如果MultiBoot鏡像加載成功，F(xiàn)PGA將切換到新的配置并運(yùn)行相應(yīng)的功能。如果加載失敗，F(xiàn)PGA將回退到Golden鏡像并繼續(xù)運(yùn)行基本功能。

六、串口升級(jí)與MultiBoot的結(jié)合

串口升級(jí)是一種通過(guò)串口通信接口來(lái)更新FPGA配置的方法。在串口升級(jí)過(guò)程中，新的配置文件通常被發(fā)送到FPGA的外部存儲(chǔ)器中，并替換舊的配置文件。結(jié)合MultiBoot功能，串口升級(jí)可以實(shí)現(xiàn)FPGA配置的動(dòng)態(tài)更新。例如，在需要更新系統(tǒng)功能時(shí)，可以通過(guò)串口將新的配置文件發(fā)送到FPGA的外部存儲(chǔ)器中，并觸發(fā)MultiBoot過(guò)程來(lái)加載新的配置。

七、結(jié)論

FPGA的啟動(dòng)加載方式是實(shí)現(xiàn)串口升級(jí)和MultiBoot功能的基礎(chǔ)。通過(guò)深入了解FPGA的啟動(dòng)加載機(jī)制，我們可以更好地利用這些高級(jí)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新和功能調(diào)整。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，FPGA的啟動(dòng)加載方式將變得更加靈活和多樣化，為電子設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的可能性和創(chuàng)新。