Intel FPGA 基于NIOS的串口远程升级

本文介绍一种基于串口远程升级Intel FPGA的方法，在Intel FPGA运行NIOS，上位机通过串口连接NIOS对FLASH进行操作，上传用户的新FPGA设计，通过擦除重写FLASH，来达到更新Intel FPGA程序的目的。

此应用主要面向有二次升级需求的用户。例如产品出厂之后，客户需要进行刷机更新，就可以采用这个方案，将最新的程序放在官网给客户下载之后，通过串口自行升级。再例如整机装配之后，不方便留调试AS/JTAG口，就可以留串口，利用本文提供的方法进行整机调试过程中的程序更新升级。本文篇幅较长，全文目录如下：

• 一、 实验要求以及方案信息
• 二、 参考例程文件
• 三、 框图
• 四、 例程设置
  
  • 4.1 下载文件生成
  • 4.2 下载文件合成
  • 4.3 下载FPGA镜像和nios ii 软件镜像
  • 4.4 生成升级RPD文件
• 五、 运行
• 六、 实际应用
  
  • 6.1 修改例程
  • 6.2 实际应用操作
  • 6.3 实际应用容易出现的问题以及避免
• 七、 常见错误/问题
  
  • 7.1 新建NIOS II 软件程序
  • 7.2 Scanf函数
  • 7.3 UART指向
  • 7.4 写保护开关
  • 7.5 Remote Update IP
  • 7.6 数据截取文件从RPD而非JIC
  • 7.7 SOF、JIC、ELF、HEX
  • 7.8  NIOS调试以及下载
• 八、 总结

• Cyclone IV EP4CE10E22C8 开发板
• Intel Quartus Prime 17.1
• USB转RS232 串口线
• 二进制/十六进制文本编辑器

占用资源：LE≤3610、PLL 1个、Memory 87056bits

Flash型号：MT25QL128ABA1ESE-0SIT 128MB SOP-8

参考例程包含一个原厂镜像（Factory Image），两个应用镜像（Application Image），以及各自对应的NIOS软件程序（NIOS II Software）。包含下载所需的JIC文件，以及合成JIC需要的SOF和HEX文件，升级需要的RPD文件。

1、SOF文件生成

FPGA文件编译完成之后就可以生成。

2、HEX文件生成

• 在Quartus 菜单栏上打开“Tools”下的“Nios II Software Build Tools for Eclipse”。
• 在弹出的Workspace Launcher中选择Factory文件夹中的“Software”文件夹，单击OK。
• 右击factory_bsp，选择build project。
• BSP build complete之后，右击factory，单击build factory。
• factory build complete之后，右击factory，单击make targets，选择build。
• 在Make Targets 中选择mem_init_genertate，单击Build。
• 生成的HEX文件在\Factory\software\factory\mem_init 文件夹下，epcq_controller.hex（可修改为factory.hex）。

1、在Quartus的Files里面打开 “Convert Programming Files…”

2、在 “Output programming file” 选项卡, 设置一下项目:

• Programming file type: JTAG Indirect Configuration File (.jic)
• Configuration device: EPCQ128 (select according to your EPCQ type)
• Mode: Active Serial
• File name: You may select your preferred path for the output file (.jic).

3、勾选 “Create config data RPD (Generate output_file_auto.rpd)”。

4、在“Input files to convert” 选项卡, 按照以下步骤进行设置：

• 选择 “Flash Loader”,单击 “Add Device”， 选择Cyclone IV里面的“EP4CE10” 。
• 对于原厂镜像的FPGA SOF文件，需要设置如下：

i.  选择“Page_0” 然后单击“Properties”。

ii.  选择“Address mode for selected pages” 里面的“Block”。。

iii.  设置“start address”为“0X00000000”，设置“end address”为“0X003BFFFF。

iv.  单击“Add File”，然后将原厂镜像的SOF文件“Factory.sof”添加进来。

• 对于Application_1，设置如下：

i.    单击“Add Sof Page”。

ii.    选择“Page_0” 然后单击“Properties”。

iii.    选择“Address mode for selected pages” 里面的“Block”。

iv.    设置“start address”为“0X00400000”，设置“end address”为“0X007BFFFF。

v.    单击“Add File”，然后将SOF文件“Application_1.sof”添加进来。

• 同理，将Application_2的“start address”为“0X00800000”，设置“end address”为“0X00BBFFFF”。
• 对于原厂的nios 程序文件，需要设置如下：

i. 单击“Add Hex Data”，打开对话框。

ii. 单击“Hex file”框后面的省略号，选择生成的factory.hex文件。

5、最后单击Generate，生成JIC文件。

• 连接USB Blaster，板子上电。
• 从“Tools”打开“Programmer”，点击“Hardware setup……”，选择“USB-Blater II”。
• 点击“Auto Detect” 选择“EP4CE10”。
• 点击“File”，选择生成的JIC文件。同时在“Program Configure”打钩。

• 打开“Tools”里面的“Options……”，在“Unprotect EPCS/EPCQ devices selected for the erase/program operation”选项打钩。
• 点击“Start”，开始下载，下载完成后，板子重新上电。

我们在生成JIC文件的时候，同时生成了RPD（Raw Programming Data）文件，我们的升级文件需要从RPD文件中截取出来。

• 利用文本编辑器将生成的“output_file_auto.rpd”文件打开，在“‘编辑“菜单下，选择“选择块”，打开对话窗口。
• 对于Application_1，FPGA程序对应地址范围：0x00400000 – 0x007BFFFF，在“选择块”的窗口的起始偏移中，填入“400000”，在结束偏移中填入“7BFFFF”，单击确定，选择数据。
• 在选择的数据上右键选择“复制”。
• 单击“新建”，右键选择“插入式粘贴”，在弹出的改变文件大小提示对话框中选择“确定”。
• 选择“文件”菜单下的“另存为”，选择合适位置，存为“app1_hw.rpd”。

重复上述步骤，根据下面的表格中所列出的起始偏移地址和结束偏移地址，截取出Application_1的NIOS程序，Application_2的FPGA程序和NIOS程序。

请确认生成的RPD文件有着正确的文件大小。

1、连接USB转RS232串口线，连接USB Blaster II，板子上电。

2、打开串口调试助手（理论上任一串口调试皆可，但实际操作中发现有些软件是不行的，如果有发不出数据的情况，可以考虑换一个串口调试助手）。打开串口的设置，设置波特率“115200”，校验位“None”，数据位“8”，停止位“1”。

3、程序跳转

重新上电，会在接收区看到打印信息，可以看到程序从Factory启动。

• 从串口发送字符“5”，从打印信息中看到程序从Factory镜像转到Application_1镜像启动。

重新上电，同样操作，串口发送6，程序会从Factory镜像转到Application_2启动。

4、串口远程更新，本次更新将Application1的hardware擦除，然后将Application2的hardware更新到被擦除的区域。

• 重新上电，发送1，可以看到Flash相关区域（Application1的hardware）已经被擦除。

• 在串口调试助手上面的“选择发送文件”，选择之前生成的Application2的hardware文件，点击串口调试助手的“发送文件”选择发送。可以看到下面的发送窗口已经开始发送了。需要等待十分钟左右，等待发送完成。

• 待发送完成之后，会提示“Application 1 Hardware upgrade completed!”，但此时程序还是会打印程序从Factory启动，待重新上电后，发送“5,”，会提示程序从Application2启动（正常情况下会提示从Application1启动），升级成功。

实际应用中，我们可能用不到3个镜像的情况，更多的是2个镜像，可以随时通过串口升级软硬件程序即可，并且不用到NIOS的话，NIOS程序一般不需要升级，可以关闭NIOS升级入口。后期升级维护更多的是现场人员，为了防止误操作和缩短升级的时间，我们将程序稍加改动，让串口界面清晰明了，让程序升级人员更容易操作。

1、语言汉化

将串口打印信息汉化一下，例如：将之前的Factory打印信息修改

修改为：

• 具体的代码请见工程。

2、NIOS程序去冗余

• 在Factory程序中，只起到跳转的作用，所以可以将APP1&2的Hardware、Software升级功能去掉。
• 在APP1中，不必使用跳转功能，可以将跳转功能去掉，将APP2的有关升级代码去掉。
• 具体的代码请见工程。

3、上电即跳转

上电之后，FPGA默认从0地址启动，即程序会默认从Factory程序启动，然后从原厂程序跳转到APP1启动。在上面的教程中，我们是通过发送“5”来进行跳转，现在我们在Factory程序中，直接将input置为5，这样就可以上电之后，先从Factory启动，然后跳转到APP1启动。

4、缩小升级文件

• 对于生成的RPD文件，不全是有意义的数据，空余的地方使用0XFF填充。

• 举例来说，存放APP1 Hardware地址段0X00400000-0X007BFFFF中，并不全是有效字段，我们截取出来的RPD文件，包含许多无效字段，所以我们剔除无效字段，留下有效的就可以。

• 注意在有效数据结束的时候，地址位选择是0X00859D5F而不是0X00859D50，所以文件长度即为59D5F。选择块，复制，另存为相应的RPD文件即可。

• 在NIOS程序里面，地址也要做相应的修改。修改地址之后，擦除的区域也会相应改变。

修改为：

1、板子上电，打开串口，配置。

2、Generate JIC文件配置如下：

3、下载JIC文件，重上电。打印信息如下：

4、串口发送1，则会显示擦除相关区域，然后选择相应的文件，并且发送。

5、等待几分钟后，显示程序升级完成。重上电之后，显示程序已经从APP2启动，升级成功。

在上述实际应用中，要求务必一次升级成功。一旦升级失败，就是出现错误导致无法再次升级。因为在Trigger IP Remote Update中设定，一旦升级失败，会跳转到Factory程序执行，但是我们在Factory程序中已经设定直接跳转到APP1，而APP1因为升级失败而无法正常启动，又会跳转回到Factory程序，所以如果升级失败，将是一个死循环。

为了避免出现此类情况，建议在外部放置一个拨码开关，上电之后检测拨码开关的设置来决定从哪个程序启动。例如开始设置：3‘b001：从Factory启动’，如果升级完APP1（可以多次升级，直至升级成功），则设置3‘b002，从APP1启动。

当想把RSU程序移植到其他器件上的时候（尤其是不同系列的器件），尽量不要只通过修改Device来实现，容易出现一些莫名其妙的编译错误。要按照例子工程，重新添加IP,重新新建NIOS II软件程序。

新建NIOS II软件程序遵循以下步骤：

1、“File”-“New”-“Nios II Application and BSP from Template”

2、在弹出的窗口“SOPC Information File Name” 中，选择对应的SOPCINFO文件。Nios II IDE使用.sopcinfo文件来信息来为目标硬件编译软件程序。

3、在“Project Name”输入工程的名字，注意不要有空格

4、在“Templates”中选择“Hello World Small”。

5、点击“Next”创建BSP工程。

6、点击Finish完成工程的创建。

在7.1的“Templates”中，可以选择“Hello World”或者“Hello World Small”。后者是前者的简化版，支持的功能少，占用的体积更小。如果片子片上资源够大，考虑前者，如果资源较少，考虑后者。例如“EP4CE10”，前者占用资源太多放不下，只能考虑后者。

在“Hello World Small”中，不支持函数“Scanf”，编译会出现以下错误：

此种情况下，我们用“Alt_getchar（）”函数代替。

在程序中，相应的做出修改。

scanf("%2x%2x%2x%2x", &receivedHex[0], &receivedHex[1], &receivedHex[2], &receivedHex[3]);

修改为

for(int i=0;i<4;i++)

 receivedHex[i]=alt_getchar();

1、在NIOS工程里面，串口有两个，JTAG UART和UART。

JTAG UART是要自己添加的Quartus内置IP核，通常用来是实现PC和Nios II系统间的串行通信接口，它用于字符的输入输出。

在Qsys中添加了JTAG UART核 ，而在系统生成，例化中并没有关于JTAG UART的端口, 这部分接口软件内部自动添加，就像你不需要在顶层分配EPCS接口，只要你在你的调试代码中调用了打印信息的调试函数就可以。

UART就是我们普通的串口，通过RS232与PC相连。

2、在调试过程中，我们根据调试需要来切换不同的串口。

在BSP Project 右键，选择“NIOS”-“BSP Editor”。

• 在打开的窗口中选择“Common”-“hal”-“stdin”，可以选择UART或者JTAG UART。

• 选择了“Jtag_uart”，串口信息打印在NIOS的Console窗口，选择“uart”，串口信息打印在PC的串口调试助手上。

在NIOS程序中，下面语句是EPCQ Controller（Intel FPGA Serial Flash Controller Core） 对Flash的开关写保护操作。

IOWR(EPCQ_CONTROLLER_AVL_CSR_BASE, 0x3, 0x00001703);

通过上图可以看到，FLASH_MEM_OP[31:24]，FLASH_MEM_OP[7:2]是保留字，不能够操作，我们能操作的是FLASH_MEM_OP[23:8]和FLASH_MEM_OP[1:0]。

对于FLASH_MEM_OP[1:0]，选择2‘b11。

对于FLASH_MEM_OP[23:8]，我们要操作的也只是低五位，即FLASH_MEM_OP[12:8]。位13到位23是保留的，应该设置为零。低五位提供Flash扇区的组合值，对不同扇区进行操作。

从上图可以看出，我们选择的是1001-所有扇区全部保护和0111，保护低位扇区（因原厂程序存在0地址低扇区，所以升级过程中，原厂程序不能被删除）。对应的寄存器0X00001903和0X00001703。

Remote Update IP 从Flash中将升级的镜像下载到FPGA，然后更新配置电路，来启动重配置。

在配置过程中和配置之后，Remote Update 执行错误检测，当检测到错误时，直接恢复到出厂程序运行，并且提供错误状态信息。

在NIOS程序中，需要操作的寄存器有 0X0C、0X10、0X1D（仅限于Cyclone IV和Cyclone 10 LP，其他系列的根据datasheet来定）。

注意数据截取的时候是从RPD文件，而非JIC文件，从JIC文件截取是会出错的。RPD文件在生成JIC的文件一起生成的。

1、文件类型

• SOF：SRAM Object File
• JIC：JTAG Indirect Configuration File
• HEX：Hexadecimal (Intel-Format) Output File

2、本文用到的是SOF+HEX=JIC，然载JIC的方式

• SOF文件是由FPGA编译产生。
• HEX文件是由NIOS编译产生，编译方法请见上文。
• HEX文件也可以通过ELF文件转换而来。转换指令

elf="sw.elf"

 echo "elf>flash ..."; elf2flash --epcs --input=$elf --output=sw.flash

 echo "flash>hex ..."; nios2-elf-objcopy --input-target srec --output-target ihex sw.flash sw.hex

 echo "del flash ..."; rm -f *.flash

上述指令存为elf2hex.sh文件，通过Nios II command shell 执行。在NIOS project右键，选择“Nios”-“Nios II Command Shell”

执行命令如下图所示，另外注意这种生成的HEX文件方法仅供参考。

在实际项目开发中，不必每次都合成JIC文件下载，可以先由NIOS里面直接下载，方便调试。

• Nios Project-右键，然后选择“Run as”-“Run Configurations”，打开配置窗口。

• 在配置窗口“Project”-“Project ELF file name”中选择正确的ELF文件。

• 在“Target Connection”中，可以看到cable的正确连接，如果没有正常连接，点击右侧的“Refresh Connections”即可出现。另外在下面的“System ID checks”选项卡全部勾选，选择忽略System ID和timestamp的检查，点击“Apply”-“Run”。

• 如果已经配置过，下次我们可以在Nios Project上右键，然后选择“Run as”-“Nios II Hardware”，不必每次都配置。

上文主要介绍了基于串口远程升级Intel FPGA的方法，详细介绍了各部分的功能，JIC文件的生成，Flash的操作，寄存器的配置等，最后从实际应用角度出发，做了可以应用到实际工程的DEMO，并对可能出现的各种状况做了解析以及应对方法，读者可以根据本文的步骤以及DEMO，可以稍作修改，即可以简单的应用到自己的实际工程中。假如您对此应用感兴趣，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。