一種內部植入cpu的fpga系統在線升級的方法
2023-05-07 06:29:41 1
專利名稱：一種內部植入cpu的fpga系統在線升級的方法
一種內部植入CPU的FPGA系統在線升級的方法 所屬領域
本發明涉及含有FPGA (現場可編程門陣列)晶片的複雜電路系統， 尤其涉及了一種用於內部植入CPU的FPGA軟硬體系統在線升級的方 法。
背景技術：
FPGA (Field Programmable Gate Array,現場可編禾呈門陣列)是 一種可以實現硬體編程的晶片，隨著電子行業的發展，複雜FPGA芯 片中可以植入精簡的CPU系統，如Xilinx公司推出的兩種32位的嵌 入式處理器內核， 一種是IBM PowerPC處理器硬核，另一種是採用 IBM內部總線技術的MicroBlaze處理器軟核。硬核可以提供更快的 數據處理能力，而軟核則具有更好的靈活性，在目標器件中可以進行 任意的配置。
由於FPGA是一種掉電即失的晶片，因此一般上電後，必須通過存 儲在非易失性存儲晶片(如FLASH)中的系統引導程序來對其進行硬 件的初始化和系統的引導。因為系統引導程序和系統的鏡像都存儲在 非易失性存儲晶片中，所以可以通過升級存儲器內部的文件實現FPGA 系統的升級。
TFTP (Trivial File Transfer Protocol,簡單文件傳輸協議)是TCP/IP協議族中的一個用來在客戶機與伺服器之間進行筒單文件傳 輸的協議，提供簡單的文件傳輸服務。TFTP與FTP相比，它沒有認 證，沒有密碼，有容易實現的特點。它通過DHCP分配IP位址，僅僅 通過末端設備指向TFTP伺服器的IP位址，使得軟硬體升級和網絡啟 動變得簡單。
對於複雜電子類產品，由於開發難度加大，用戶安全要求的曰益 提高以及需求的不斷變化，迫使生產廠家在開發完成後，需要不斷通 過產品升級來對系統功能進行改進和完善，且硬體系統的安全漏洞幾 乎無法通過軟體系統升級來解決。對於存在較大安全漏洞的產品還需 要進行產品召回，造成了極大的經濟損失。FPGA可以實現硬體編程 的同時，通過植入經過裁剪的作業系統也實現了軟體編程。通常的在 線升級都只提供了在作業系統下的軟體升級，而對於如何實現軟硬體 的同時在線升級，卻是一個正在探索的問題。，
發明內容
本發明提出了 一種可以實現內部植入CPU及作業系統的FPGA的在 線升級方法，使其可以通過TFTP協議來實現FPGA的軟硬體同時在線 升級。
現階段內部植入CPU的FPGA系統開發主要分為硬體設計和軟體設 計，硬體設計時，把用戶功能模塊及其驅動的接口通過系統總線與 CPU相連，相應的硬體配置信息則都保存在硬體描述性文件中。而軟 件系統的設計獨立與硬體來實現，通過開發工具提供的外設驅動以及大量的庫函數來實現系統的功能。最後建立交叉編譯環境，並把開發
工具生成的文件導入到作業系統鏡像中，生成包含軟硬體功能的FPGA 系統。
本發明的主要特點是，系統的大部分功能都在FPGA晶片內部實 現，通過FPGA的嵌入式開發套件，即可實現軟^/f牛協同編程，最後 把生成的位文件通過TFTP伺服器下載到需要升級的目標板。其中的 目標板上的FPGA中植入有經過裁剪的CPU以及在其上面運行的操作 系統，其升級過程如下在FPGA上電自檢後，通過加載引導程序， 啟動網絡驅動模塊，從DHCP伺服器接收網絡參數，從DNS伺服器中 得到TFTP伺服器的地址，當檢測到用戶升級開關打開時，從伺服器 下載升級文件到SDRAM中，經過校驗後，寫入FLASH晶片，升級成功 後即可引導新的系統啟動。
本發明利的優點是，實現了一種內部植入CPU的FPGA系統的軟硬 件在線升級的方法，提高了系統的可擴展性和系統升級的靈活性，可 以避免因為系統軟硬體設計的BUG而造成的安全隱患，以及因此而召 回產品帶來的經濟損失。
以下結合附圖與具體實施方法對本發明進行進一 步的說明。
圖1:內部植入CPU的FPGA系統及其必要外設和外部衝莫塊的結構 示意圖2:系統在線升級的流程示意圖；圖中需要說明的符號
101: FPGA晶片;
102: FPGA內部植入的CPU軟核或者硬核；
103: FPGA內部例化的片上存儲器塊；
104: FPGA內部例化的用於存儲操作數的存儲器塊；
105: FPGA內部例化的用於存儲指令的存儲器塊
106: FPG A內部例化的串行U ART接口 ，用於系統設計時的開發和
調試
107: FPGA內部例化的乙太網控制器10/100M MAC功能才莫塊；
108: FPGA內部例化的其他片上系統的外設；
109: FPGA內部例化的用於和CPU通信的用戶接口邏輯模塊
110:用於用戶功能實現的用戶定義外設模塊；
111:用於系統運行的SDRAM晶片；
112:用於存儲51導程序和系統鏡像的FLASH晶片；
113:含有10/100M PHY晶片的乙太網接口電路才莫塊；
114: TFTP遠程伺服器;
具體實施方案
如圖1所示，內部植入CPU的FPGA系統及其必要功能模塊包括 FPGA內部的微處理器CPU，數據和指令存儲器，片上數據存儲器，用 戶邏輯接口及其外設，串行接口， 10/100M MAC,片上系鄉$外設，以 及FPGA外連的SDRAM， FLASH, 10/10幅PHY才莫塊。其中，CPU可以是植入的硬核或者軟核，它負責系統的運行和維
護。作業系統主要負責管理外設和內存管理，用戶邏輯接口及其外設
是根據用戶的需要開發的功能模塊，FLASH中存儲有引導程序以及系 統的鏡像文件，串口模塊用於調試和開發系統，10/100M MAC模塊通 過外接的10/100M PHY模塊連接到乙太網上。
TFTP遠程伺服器上存儲著升級文件，它響應FPGA中客戶端的請 求，通過TFTP協議，把升級文件傳輸到FPGA板上。其中的升級文件 中既包含了軟體的更新也可以包含硬體設備的更新。
升級過程如圖2所示，系統上電啟動以後先執行自檢，然後從 FLASH晶片中加載系統引導程序，系統引導程序用於初始化石更件系統， 為系統提供配置信息以及引導並運行作業系統，系統？ 1導程序中包含 了 10M/100M網絡的功能，從而使得在FPGA原系統啟動前對其進行在 線升級成為可能。這裡的配置網絡模塊是指啟動簡單的網絡功能模 塊，從DHCP伺服器接收網絡參數，從DNS伺服器中得到TFTP伺服器 的地址。當系統引導程序檢測到用戶升級開關打開，且網絡配置正確 以後，進入步驟207，向TFTP伺服器發送請求，通過TFTP協議下載 升級文件，否則回到步驟211,從FLASH中引導原作業系統啟動。下 載完成後進入步驟208，進行下載文件的校驗，如果校驗成功則進入 步驟209，把下載的位文件寫入到FLASH晶片中否則回到步驟211, 引導原才喿作系統啟動。當寫入成功後，進入步驟210，引導升級後的 作業系統啟動，整個升級過程結束。
權利要求
1、一種內部植入CPU的FPGA系統在線升級的方法，該方法主要包括以下步驟(1)系統上電，在FPGA自檢以後，運行系統引導程序，完成硬體系統的初始化並加載相關硬體的驅動程序；(2)配置網絡模塊參數，包括發出DHCP請求，獲得IP位址以及DNS伺服器地址，通過DNS伺服器解析出TFTP伺服器地址；(3)當判斷升級開關打開後，通過TFTP協議下載升級文件到SDRAM中；(4)下載文件校驗成功後寫入FLASH，完成升級操作。
2、 如權利要求1所述的內部植入CPU的FPGA系統包括以下必要 的功能模塊FPGA內部的微處理器CPU，數據和指令存儲器，片上數 據存儲器，用戶邏輯接口及其外設，串行接口， 10/100M MAC,片上 系統外設，以及FPGA外連的SDRAM, FLASH, 10/100M PHY才莫塊。
3、 如^又利要求1所述的升級文件，其既可以包括軟體系統的升級 更新內容也可以包括硬體系統的升級更新內容。
4、 如權利要求1所述的內部植入CPU的FPGA晶片，其內部才直入 的CPU可以是軟核，也可以是硬核，它負責系統引導程序和作業系統 的運行。
5、 如權利要求1和4所述的系統引導程序，其作用在於初始化 硬體系統，為系統提供配置信息以及引導作業系統，它包含了 10M/100M網絡的功能，通過判斷升級開關的開關，執行引導原系統運行或是下載新的系統升級文件的操作。
6、 如權利要求2中的FPGA內部的10/100M MAC模塊其特徵是， 它通過外接的10/100M PHY沖莫塊實現與乙太網的連接。
7、 如權利要求2中所述的FLASH晶片，其特徵是，它不僅保存著 系統引導程序和作業系統的鏡像，還用來保存下載的升級文件。
全文摘要
本發明為一種內部植入CPU的FPGA系統在線升級的方法。其主要特點是，FPGA中植入有經過裁剪的CPU以及在其上面運行的作業系統，其升級過程如下在FPGA上電自檢和初始化後，通過加載引導程序，啟動網絡驅動模塊，從DHCP伺服器接收網絡參數，從DNS伺服器中得到TFTP伺服器的地址，當檢測到用戶升級開關打開時，從伺服器下載升級文件到SDRAM中，經過校驗後，寫入FLASH晶片，升級成功後即可引導新的系統啟動。本發明利用FPGA的軟硬體可編程的特點，實現了系統軟硬體同時在線升級，提高了系統的可擴展性和升級的靈活性。
文檔編號H04L12/24GK101431441SQ20081023959
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者劉俊濤, 張志輝, 張永軍, 李曉斐, 沈月峰, 蔣定孚 申請人:北京郵電大學