FPGA配置兩種模式：主動配置和被動配置方式，采用主動配置下，我們就需要一片F(xiàn)LASH來存儲FPGA固件，那么我們在升級固件寫FLASH的過程中如何避免因意外情況發(fā)生導(dǎo)致升級失敗而使FPGA變磚呢？下面就由筆者帶領(lǐng)大家來挖山掘石、一探究竟。

本文主要針對Xilinx的Spartan-6和7-series FPGA。在設(shè)計(jì)FPGA的遠(yuǎn)程升級功能時，我們要實(shí)現(xiàn)以下兩個指標(biāo)：

1、FPGA具有升級功能，即在正常工作狀態(tài)下，F(xiàn)PGA可以將新的固件數(shù)據(jù)燒寫到FLASH里面并在下次重啟的時候能夠正常加載；

2、如果升級過程中出現(xiàn)意外情況，F(xiàn)LASH里面原有的固件被破壞，那么FPGA能夠從備份固件區(qū)啟動配置，即FLASH里要有另外一份沒有問題的固件備份，且FPGA可以自動跳轉(zhuǎn)到這個固件區(qū)讀取固件。

好了，功能需求明確，下面就該潛下心來進(jìn)行框架流程設(shè)計(jì)、時序設(shè)計(jì)、代碼編寫以及仿真驗(yàn)證了。一番辛苦勞作之后，IP設(shè)計(jì)好了，這個時候心里暗暗自喜：應(yīng)該沒問題，只待硬件測試?yán)病Ｈ挛宄伊伺_機(jī)器測試了一遍，發(fā)現(xiàn)能夠正常升級，這個時候心里那個是樂開了花啊，一次搞定，哈哈。

接下來就要進(jìn)行激動人心的防磚測試了，于是你就邀請了周圍的同事來一起見證奇跡，于是測試開始，于是在升級運(yùn)行的過程中你自信的斷了電，然后你對著周圍的同事說：下面就是見證奇跡的時刻，于是你接通了電源，此時你笑的是那么春光燦爛。突然，你耳邊傳來一句輕輕的、溫柔的耳語：老兄，你的FPGA變磚啦！“怎么可能！”，你不屑的低吼了一句，可是，當(dāng)你看到那顆小小的LED燈安靜的還在沉睡的時候，你傻眼了，“What the hell is going on！”，看著周圍的同事，我理解你的心情：一種被狠狠打臉的刺痛感襲上了你的心頭。你埋著頭繃著臉，折騰了半天沒找出原因在哪，這到底是怎么回事兒呢？

FPGA升級防磚也即支持FALLBACK模式，賽靈思官方的指導(dǎo)文檔里也進(jìn)行了相應(yīng)的指導(dǎo)說明。對于FALLBACK模式，最重要的就是要構(gòu)建起一個FLASH鏡像文件，該鏡像文件的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 FLASH鏡像文件架構(gòu)

關(guān)于FLASH鏡像架構(gòu)的信息，賽靈思官方的configuraTIon user guide里有詳細(xì)說明。圖中，MulTIboot Header決定了FPGA上電之后要先從哪個固件區(qū)讀取配置文件以及如果失敗了該跳轉(zhuǎn)到哪個固件區(qū)讀取備份配置。我們的鏡像里劃分了兩片區(qū)域用于存儲固件，分別為：AcTIve區(qū)和Old（golden）區(qū)，我們的升級指的就是對AcTIve區(qū)的固件進(jìn)行更新，Header區(qū)和Old區(qū)的信息不改動；FPGA每次上電先從Active區(qū)讀取配置文件。Old區(qū)是一份固件備份，它的作用就是當(dāng)Active區(qū)因?yàn)樯壱馔舛碳黄茐牡那闆r下，F(xiàn)PGA能夠從此處啟動配置。

那么，如何保證當(dāng)Active區(qū)的固件因?yàn)樯壱馔獗黄茐臅rFPGA能夠主動切換到Old區(qū)域讀取配置文件呢？這就是我們要說明的問題。

FPGA升級固件的燒寫一般有兩種方式，分別如下：

1、順序燒寫，這是最傳統(tǒng)的燒寫方式，即不對固件進(jìn)行任何更改直接往FLASH里燒寫；

2、調(diào)整固件燒寫順序，即對固件進(jìn)行一定的修改，然后分兩次燒寫。

我們在設(shè)計(jì)的時候首先想到的就是第一種方式，況且賽靈思官方文檔也說了在如下情況下FPGA會跳轉(zhuǎn)到備份區(qū)啟動配置：

1、讀取配置文件的同步字超時，此時會觸發(fā)跳轉(zhuǎn)；

2、檢查到固件CRC出錯，此時會觸發(fā)跳轉(zhuǎn)。

根據(jù)這些說法，采用第一種方式也不會出問題啊！可是為什么就不行呢？也許細(xì)心測試的你會發(fā)現(xiàn)，在擦除的過程中斷電的話FPGA能夠從備份區(qū)啟動，在燒寫的過程中斷電的話FPGA就會啟動失敗，你，有沒有感悟到什么？是不是看到了一絲絲亮光？奧特曼說過：有光的地方就有希望！你可能會問：為什么有第二種燒寫方式？要怎樣調(diào)整固件呢？為什么要調(diào)整呢？在這里，我先給你肯定答案：采用第二種方式完全不會出問題。現(xiàn)在，我們接著往下賣關(guān)子。

既然有上面的一系列疑問，那么我們就需要去研究一下ISE工具在生成固件的時候是怎樣的一種打包格式。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)兩個很重要的信息：

1、配置文件的同步字在固件的首部；

2、CRC檢查命令一般在固件的后部，而FPGA必須在收到CRC檢查命令之后才會去檢查CRC值。

前面也提到，當(dāng)擦除的時候斷電FPGA能夠發(fā)生配置跳轉(zhuǎn)，當(dāng)燒寫的時候斷電FPGA無法進(jìn)行配置跳轉(zhuǎn)，說到這里再結(jié)合上面的兩條重要的發(fā)現(xiàn)，你也許已經(jīng)為自己心中的疑問找到答案了吧？很顯然，因?yàn)楣碳耐阶趾苌伲阅軌蚝芸毂徊脸部梢院芸毂粚懭隖LASH；因此，當(dāng)擦除的時候斷電了，此時固件的同步字已經(jīng)破壞，而FPGA讀不到同步字就會出現(xiàn)看門狗超時，那么此時FPGA就會跳轉(zhuǎn)到備份區(qū)讀取配置文件；當(dāng)在燒寫的時候斷電呢？因?yàn)榇藭r同步字已經(jīng)被正確寫入，而CRC檢查命令被破壞了，F(xiàn)PGA在配置的時候會去讀CRC檢查命令，直到讀到為止，可是CRC檢查命令被破壞了怎么辦呢？沒得辦法啊，F(xiàn)PGA有一種不撞南墻不回頭，撞了南墻依然不回頭的韌勁和堅(jiān)持，它會一直讀下去，所以它就陷入死循環(huán)了，哎！你說如果愛情里也有這種精神該多好啊！

經(jīng)過上面的解釋，我們會恍然大悟：原來通過CRC錯誤觸發(fā)FPGA配置跳轉(zhuǎn)不靠譜啊！既然如此，我們就只能在固件的同步字上做文章了。好了，不賣關(guān)子了，其實(shí)，在固件的同步字上做文章也就對應(yīng)著升級固件的燒寫方式2：修改固件并調(diào)整固件的燒寫順序，簡單解釋如下：

1、把固件的同步字修改掉，第一步燒寫的時候不燒同步字；

2、當(dāng)固件的其余部分燒寫完畢之后再單獨(dú)把固件的同步字燒寫入原來對應(yīng)的FLASH位置處。

這樣做了之后，無論是擦除過程中斷電還是燒寫的過程中斷電，固件的同步字都會被破壞，那么肯定會觸發(fā)FPGA的配置跳轉(zhuǎn)，即FALLBACK一定會成功！