FPGA的多重加载实际运用详解

如今，随着FPGA工艺的进步，性能提升和成本缩减均得到极大的改善，这使得FPGA芯片的使用越来越广泛。因此为了达到降低系统维护和升级的成本，通常我们都会通过网络传送最新的下载文件，让用户在现场直接将文件下载到FPGA中进行远程的升级处理。然而，一旦下载文件是错的，那么系统轻则功能出错，重则直接死机不工作。为了防止这种情况发生给用户带来重大影响或者损失，Xilinx提供了FPGA的多重配置操作功能。

1.何为多重配置

FPGA多重配置允许动态进行多个下载文件之间的切换，当引导配置过程中检测到出错时，FPGA会触发一个回退标志确保一个已知的好的文件可以被加载进来。具体如下图所示：

简而言之，就是你的.mcs文件里包含有两个或更多的下载文件，然后地址0的位置开始存放一个可用的下载文件（多数是升级前那个旧的文件），后面的地址（ADDR_1）存放你将要更新的文件。当下载时，FPGA会先从ADDR_1读取更新的文件，若这个过程发生错误的话就会回到地址0，读取之前的文件，确保设备仍能正常工作。

2.多重配置的使用

Xilinx的多重配置功能除了更新文件外，也可以进行多任务的切换调度处理。基于这个功能，只要Flash够大，是可以存放好多个下载文件的。当遇到FPGA资源较小，且多个功能之间是独立不干扰的话，有时候可以通过外部控制，在需要不同功能时，进行文件切换下载。

比如一个设备需要做到ABCD四个功能，且ABCD各自应用于不同场合，之间没有数据往来，互不干扰。如果这时FPGA的资源只能够实现ABCD中的一种功能或者两种，那么我们就可以做出四个不同的bit文件分别实现ABCD四种功能并合并成一个.mcs文件下载到Flash中。当在需要A功能的场合，我们可以使用按键或者上位机进行配置，让FPGA加载A功能的下载文件，实现A功能。同理，在只需要BCD的场合也是这样，如此可以大大节省FPGA的资源。

3.多重配置的流程

FPGA内部有一个ICAP核，可对程序加载进行预配置，预配置处理可在.v代码中处理并随之生成.bit文件。如果不在代码处理，则为默认配置。Xilinx FPGA的多重配置流程如下图所示，具体可参考官方文档 “ xapp1247 ” 。

其中可用文件存放在起始地址为0处；更新文件存放在起始地址为A1处。

上电后，FPGA会进入Flash的0地址，检测配置寄存器中的WBSTAR和IPROG指令（.v里进行配置）。

如果WBSTAR地址指向A1，且IPROG的指令正确，FPGA会跳到A1处读取并加载文件。

如果A1处的WBSTAR地址为0，且没有IPROG指令，则加载此处的文件。

如果在加载更新文件过程中发生错误，FPGA便会跳到地址0处，重新加载确保可用的那个文件。

IPROG的指令表如下所示：

对于IPROG的指令配置，必须按照这个顺序进行，一旦数据不对或者顺序不对，FPGA便不会对更新文件进行加载。

4.结语

在实际使用中FPGA的多重加载是非常有帮助的，灵活的使用能够避免很多现场的尴尬，也节省了很多后期技术支持的成本。下一节将介绍如何进行代码的多重配置处理与使用。