高云FPGA – 远程升级原理

目录
1.1 简介
1.2 高云fpga升级原理
1.3 比特流加载测试
1.4 多bit流启动功能实现远程升级
1.5 逻辑SPI读写flash

1.1 简介
在嵌入式设备远程维护的背景下，实现FPGA固件的安全、可靠升级成为关键需求。在近期项目中，我们成功实施了高云FPGA的远程升级方案。本文旨在梳理和分享其核心的升级原理，希望能为有类似需求的开发者提供一份实用的参考。
本文章主要介绍以下三方面内容，高云fpga升级原理，比特流加载测试，逻辑SPI读写flash。

1.2 高云fpga升级原理

上图是高云fpga升级流程示意图。
上图展示了高云FPGA的远程升级流程。该方案支持多比特流启动，系统可从两个用户比特流（Multiboot Bitstream 1 和 2）中选择一个运行。其核心优势在于安全冗余机制：当任一用户比特流加载或运行失败时，FPGA将自动回退至绝对可靠的“黄金比特流”，确保设备始终能恢复至可工作的基础状态。

1.3 比特流加载测试
根据高云fpga升级流程。我可以做一个最简单的测试，就是通过高云软件将Multoboot_Bitstream1下载到flash的0地址，将Golden Bitstream下载到flash的Golden_Address，这样fpga上电会运行Multoboot_Bitstream1。当我人为破坏掉Multoboot_Bitstream1（或者擦除掉Multoboot_Bitstream1），再次上电就会发现fpga会运行Golden Bitstream，通过这种方式可以验证高云fpga的bit流加载功能。例如我的Multoboot_Bitstream1是update_led。Golden Bitstream的bit流是golden_led, Golden_Address为0X800000。

Goden Bitstream这里有一个坑，在高云fpga中，Golden Address的位置是有默认值的，在下载程序的这个位置可以读到Golden Address的地址 。

点击Read可以读到当前Golden Address的默认地址，这个地址的每一位只能把0写成1， 不能由1变成0。因此这个地址只能改的比默认值更大。fpga出厂时把这个值设置到了0X800000,的位置，（这个地址刚好就是8M的flash）， 因此使用8M的flash就将golden Bitstream下载到Golden_Address这个位置，我也是将8M flash换成16M的才测试成功。

1.4 多bit流启动功能实现远程升级
由于我使用的spi flash是8M, 无法使用golden Bitstream。这种情况下也可以使用高云fpga 的多bit流启动功能实现升级的功能。
根据高云fpga的升级原理，可以将Multoboot_Bitstream1作为稳定的bit流，在Multoboot_Bitstream1中启动Multoboot_Bitstream2。这种情况需要在Multoboot_Bitstream1中配置Multoboot_Bitstream2的加载地址。并且将Multoboot_Bitstream2下载到Multoboot_Bitstream1配置的地址的位置。
例如将Multoboot_Bitstream2的启动地址设置为0X400000。需要在Multoboot_Bitstream1的配置页面做如下配置后再次编译。

更改Multoboot_Bitstream1的地址配置后， 重新编译， 将Multoboot_Bitstream1下载至flash的0X000000地址（fpga上电默认从0X000000地址启动）， 将将Multoboot_Bitstream2下载至0X400000。在Multoboot_Bitstream1中发送Reboot指令便可以跳转到Multoboot_Bitstream2。
那么什么是Reboot指令呢？
有2中方法
(1) 外部拉低Reconfig_n引脚。
(2) 通过jtag模拟master SPI时序发送重配置指令。

第二种模拟jtag方式有点复杂， 不过后来测试发现，Reconfig_n可以配置为输出，使用内部逻辑可以将 Reconfig_n拉低，这样做就简单多了。这样只需要在Multoboot_Bitstream1中拉低Reconfig_n就可以跳转到Multoboot_Bitstream2了。
但是使用这种方式做远程升级功能会有个问题，如果Multoboot_Bitstream2有问题的话fpga就会死机（如果没有golden_ Bitstream），不会自动跳转到Multoboot_Bitstream1。这样就需要在外部做开关或者由单片机控制选择是否Multoboot_Bitstream1启动后直接跳转到Multoboot_Bitstream2。

1.5 逻辑SPI读写flash
上一章验证了高云FPGA 的固件加载功能。这里介绍下高云fpga如何操作spi flash,在逻辑中调用flash的spi引脚，在Place & Route过程中会报如下错误。

这是因为程序复用了fpga芯片的专用功能引脚，需要在高云软件中配置复用这些引脚功能。fpga即可通过逻辑操作flash。

此后，系统便可基于已建立的用户协议和SPI通信接口，对Flash中的比特流进行更新，从而实现固件升级。