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本文以最常用的Xilinx和Altera公司的FPGA为例，这两家公司的FPGA固件通常保存在外部的一片SPI Flash芯片中，常规的下载方式是使用专用的下载器，如Xilinx的Platfom Cable USB或者USB Blaster，通过JTAG将程序文件下载到外部的Flash芯片中，程序固化的过程本质上是对片外的Flash芯片进行固件更新。

由此，我们可以知道，当FPGA产品量产，需要大批量进行程序烧写时，只需要使用SPI Flash烧写器通过烧录座对Flash芯片进行烧写，烧写完成之后再焊接到板子上。

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本文介绍如何不通过JTAG口，不使用专用下载器，仅仅通过普通管脚来进行固件更新，分享实现思路和设计方法，暂时还没有示例工程。

以Xilinx FPGA通过串口进行固件升级为例，所需要的软硬件为：

• FPGA板卡（含外部SPI Flash），如Spartan-6系列XC6SLX9 FPGA+M25P16 SPI Flash

• 专用的PC串口上位机，也可以使用通用的串口助手，自定义的串口助手会增强通讯的稳定性和可靠性

• USB-TTL串口模块，用于FPGA和PC进行通讯

• 专用的FPGA固件代码

整体大致流程为：FPGA内部串口解析模块接收上位机发来的固件程序，写入内部FIFO或RAM中进行缓存，然后通过SPI Flash控制器将缓存的数据写入外部的SPI Flash芯片中，简单的说FPGA就是充当了一个SPI Flash编程器的角色，完成UART-SPI协议的转换。

当然，这里的串口也可以是其他接口，如USB、网口、SPI等等，比如通过网络调试助手更新固件，通过USB口更新固件，通过外部的单片机进行更新固件，通过读取SD卡文件进行更新固件等等，实现原理都是一样的！

串口在线升级原理

在进行设计之前，我们需要先了解一下FPGA的程序文件格式，以Xilinx FPGA程序文件为例，主要有两种文件格式：Bit文件和Mcs文件。

前者Bit文件通常用于调试，Bit文件会下载到FPGA芯片内部RAM空间，掉电程序会丢失，因为FPGA开发阶段需要频繁的进行程序的擦除烧写操作，这样的好处是程序下载速度非常快，不会消耗Flash芯片的寿命。

后者Mcs文件通常用于最后的程序发布，产品量产时使用，它可以由Bit文件文件生成，在生成过程中需要指定外部SPI Flash的存储大小。

Mcs文件其实本质上就是Hex文件，将后缀名改为hex后，可以通过文本编辑器进行查看，由Hex文件结构，我们只需要图中的黑色的数据部分，然后把这些数据按顺序发送给FPGA即可。

Hex文件

为保证升级的稳定性，我们不使用通用的串口调试助手，通过自定义通讯协议和串口上位机，可以提高升级的可靠性。

串口通讯波特率通常为几百KBps，而SPI控制器读写频率通常为几十MHz，为了能将数据完整有序的接收、保存、写入，我们需要先将串口接收的数据存储到FPGA内部的FIFO中，作为缓存和跨时钟域处理。

串口上位机解析出Mcs文件中的数据部分，启动传输前，先发启动命令，然后发送数据帧，最后发送结束命令。

数据帧包括：帧头+256字节数据+CRC校验值。FPGA接收到数据之后，对数据进行校验，校验正确回复给上位机一个正确响应信号，校验错误回复错误响应信号，串口上位机接收到正确的响应信号后，继续发下一个数据帧，接收到错误的响应信号后，重复发上一帧数据，直到所有的数据发送完成，最后发送一个结束命令。这样就简单定义了一个发送-响应机制的通讯协议。

SPI数据的写入有两种方式：

1. 每接收到一帧数据之后，对SPI执行一次写256字节操作；

2. 所有的数据接收完成后，一次性将数据写入外部的SPI Flash芯片。

方式1：不需要开辟较大的FIFO空间对资源占用小，但是如果出现一些异常操作，如升级过程中出现异常操作，就会导致SPI Flash数据紊乱，固件升级失败，而且导致原始的固件被损坏，导致死机现象。

方式2：需要开辟较大的FIFO空间，通常升级文件大小为几百KB，会占用较多资源，如果数据未接收完成出现异常，也不会对原始的SPI芯片内的固件造成损坏，不会导致死机情况。但是这样也会有一个小问题，就是在数据接收完成后，写SPI Flash期间，需要保持硬件稳定，不能干扰数据写入过程，如出现断电情况。

同理，为保证程序能正常运行，在数据接收完成后，数据写入前，我们需要对SPI芯片执行全片擦除指令，这个擦除时间一般会比较长，通常和存储大小相关，擦除完成之后，再执行写入，写入完成之后，如果有必要，可以对指定存储区间进行数据回读，和接收到的数据进行比较，从而达到校验的目的。

升级模块可以独立于应用逻辑，作为一个单独的功能，不会影响正常的代码逻辑。本文只是提供一个大致实现思路，如果要是做得非常完美，工作量还是很大的。当然串口只是一种升级方式，还可以通过SD卡升级，网口升级，USB升级，WiFi升级，外部控制器（如STM32）对FPGA进行程序更新等。

FPGA固件升级