STM32与FPGA升级更新

1万 · 2019-9-15 17:13

1万 · 2019-9-15 17:14

基于ｘ８６平台的ＰＣ１０４工控机通过有线以太网或者ＷｉＦｉ连接的方式与控制台计算机连接，并通过集
成的无线路由器与控制台计算机及各ＡＲＭ控制器板组
成内部局域网。ＰＣ１０４用于控制台控制命令的转发、各板
卡状态的反馈以及升级固件的传输等功能。ＡＲＭ控制
器板卡采用ＳＴＭ３２Ｆ４０７微控制器，主要用于实现板卡间
协议通信，复杂算法的实现及固件自动升级功能。ＦＰＧＡ
板卡采用Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｓｐａｒｔａｎ－６系列ＸＣ６ＳＬＸ４５Ｔ。由于
ＦＰＧＡ内部没有大容量Ｆｌａｓｈ存储器，需要外扩ＰＲＯＭ存
储固件程序。在设置配置方案后，板卡上电时将ＰＲＯＭ
中的固件读出并加载到ＦＰＧＡ的ＳＲＡＭ中运行，配套
ＰＲＯＭ的型号为Ｘｉｌｉｎｘ　ＸＣＦ１６Ｐ。ＦＰＧＡ板卡主要用于实
现高速信号数据传输及控制命令的并发执行。ＡＲＭ控
制器外扩的Ｆｌａｓｈ用于存放ＡＲＭ控制器和ＦＰＧＡ板卡
的固件。ＡＲＭ控制器和ＦＰＧＡ板卡之间通过串行及并
行接口进行数据通信，并通过ＪＴＡＧ接口将ＦＰＧＡ外接
的ＰＲＯＭ以菊花链的方式连接，按照ＪＴＡＧ的协议规范
将固件依次下载到菊花链上的各ＰＲＯＭ中。

1万 · 2019-9-15 17:15

ＳＴＭ３２系列ＭＣＵ的固件文件介绍ＳＴＭ３２系列的ＭＣＵ（微控制器单元）可应用ＩＡＲ　ｆｏｒＥＷＡＲＭ　Ｖ６．４０编译环境进行开发设计，程序编译后默认生成的固件格式后缀为．ｏｕｔ，可通过ＪＴＡＧ仿真器及修改编译环境的配置选项，直接将程序下载到ＭＣＵ的内部Ｆｌａｓｈ中运行，也可下载到内部ＳＲＡＭ中进行在线调试。如果采用自动升级方式，建议通过开发编译环境的配置选项输出一个＊．ｂｉｎ文件，即二进制格式的固件文件。该文件不仅支持ＳＴＭ３２固件的传输和自动升级，还可通过ＳＴ公司提供的ＳＴＭ３２系列固件下载工装软件ＳＴｌｉｎｋ　ｕｔｉｌｉｔｙ及ＳＴ－Ｌｉｎｋ　Ｖ２仿真器，将固件下载到ＳＴＭ３２ＭＣＵ的内部Ｆｌａｓｈ中运行。

1万 · 2019-9-15 17:15

ＩＳＥ软件是Ｘｉｌｉｎｘ公司推出的ＦＰＧＡ及ＣＰＬＤ集成开发环境，该软件环境下编译生成的ＦＰＧＡ固件格式通常包括．ｂｉｔ和．ｍｃｓ格式两种。编译器默认生成．ｂｉｔ格式的固件文件，可通过ＪＴＡＧ仿真器将文件下载到内部ＳＲＡＭ中，也可应用该文件实现ＦＰＧＡ固件的自动升级。ＢＩＴ文件的组织格式通常为１５字节的文件开始标记、文件名记录、文件创建时间、配置数据开始标记及配置数据，该文件可通过ＵｌｔｒａＥｄｉｔ软件查看。在通过网络传输ＦＰＧＡ固件的过程中，通常只需要传递配置数据，配置数据的起始部分固定为ＦＦ　ＦＦ　ＦＦ　ＦＦ　ＡＡ９９　５５　６６，所以在传输数据过程中只需要检索关键字，识别到配置数据起始关键字后将前面的数据剔除即可。ＭＣＳ格式文件为ＡＳＣＩＩ格式文件，文件内容可通过文本编辑器查看。该文件格式是在ＩＳＥ软件中通过ＢＩＴ文件经位转换及添加校验信息等过程转换生成。该文件格式可用于通过ＪＴＡＧ下载电缆对ＰＲＯＭ的配置，也可用于固件自动升级后对固件文件的回读校验。

1万 · 2019-9-15 17:16

如果只考虑实现ＡＲＭ及ＦＰＧＡ固件的自动升级功能，可将系统的硬件方案进行简化，因为ＳＴＭ３２Ｆ４０７微控制器提供以太网ＭＡＣ层接口，也可通过上位机直接与该控制器通过网络接口连接，简化的硬件框图如图２所示。

1万 · 2019-9-15 17:17

通常，ＦＰＧＡ固件的下载方式是通过板卡上预留的ＪＴＡＧ接口来实现的。应用ＩＳＥ软件及ＪＴＡＧ仿真器将由ＢＩＴ文件转换生成的ＭＣＳ文件下载到ＦＰＧＡ配置的ＰＲＯＭ中，系统重新启动后ＦＰＧＡ控制器读取外部ＰＲＯＭ的文件，并将配置文件自动下载到ＦＰＧＡ的ＳＡＲＭ中运行。ＦＰＧＡ固件自动升级的配置方案及硬件连接如图３所示，ＳＴＭ３２控制器要为３个ＦＰＧＡ控制器传递升级固件，而实现过程是将ＳＴＭ３２及３个ＰＲＯＭ以菊花链的方式连接，按照ＪＴＡＧ软件协议依次将固件下载到３个ＰＲＯＭ中。系统重新启动后，ＦＰＧＡ从ＰＲＯＭ中分别读取各自的配置文件，并加载到ＳＲＡＭ中实现各自的功能。

1万 · 2019-9-15 17:17

1万 · 2019-9-15 17:17

固件升级的功能在ＩＡＲ　ｆｏｒ　ＥＷＡＲＭ　Ｖ６．４集成开发环境中完成，ＳＴＭ３２和ＦＰＧＡ固件升级代码都通过ＳＴＭ３２平台实现，ＳＴＭ３２通过网络接收上位机传递的固件升级代码。ＦＰＧＡ固件升级的过程更加复杂，需要ＳＴＭ３２控制器按照ＪＴＡＧ协议将固件下载到ＦＰＧＡ外扩的ＰＲＯＭ中。

1万 · 2019-9-15 17:19

ＳＴＭ３２系统中除了要实现固件升级功能，还要完成板卡间通信、系统状态监控等多项功能。为了实现多任务调度及网络传输功能，需要在ＳＴＭ３２系统中移植μＣ／ＯＳ－ＩＩ系统及ＬｗＩＰ以太网协议栈。μＣ／ＯＳ－ＩＩ是Ｍｉｃｒｉｕｍ（现被Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌａｂｓ收购）公司的一款可裁剪、可移植、抢占式多任务嵌入式实时内核，广泛应用于微控制器中。ＬｗＩＰ是瑞典计算机科学院开发的一个小型开源的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，由于它能在保持ＴＣＰ协议主要功能的前提下减少对ＲＡＭ和存储空间的占用，特别适合于硬件资源比较有限的ＭＣＵ。操作系统的移植过程可以参考Ｍｉｃｒｉｕｍ公司网站上基于ＳＴＭ３２控制器的移植范例。

1万 · 2019-9-15 17:19

为了实现ＳＴＭ３２固件自升级功能并提高系统的稳定性，需要将ＳＴＭ３２的固件分成３个部分，分别为引导代码、备份代码及应用代码。３部分代码分别建立３个工程开发，最后将３个编译生成的．ｂｉｎ文件通过ＶＣ＋＋软件合并为一个大小为２５６ＫＢ的固件文件。如图４所示，引导代码存放的地址区间为０ｘ０００００～０ｘ２８０００，是一个未移植操作系统的单循环任务，主要用于加载ＢＳＰ文件并判断系统的固件状态，如果有新固件存放在外部Ｆｌａｓｈ中，则从外部Ｆｌａｓｈ将固件读取到内部Ｆｌａｓｈ中。

1万 · 2019-9-15 17:19

1万 · 2019-9-15 17:21

当引导程序通过读取内部Ｆｌａｓｈ标志位确认没有新
固件需要更新时，引导代码将重映射的起始地址设置为应
用代码的起始地址，初始化用户应用程序的堆栈指针后进
行程序的重映射，程序会自动跳转到应用程序中运行，重
映射部分的代码如下：
／／判断用户固件起始地址是否映射到内部Ｆｌａｓｈ地址
ｉｆ（（（＊（＿＿ＩＯ　ｕｉｎｔ３２＿ｔ＊）Ａｐｐ＿ｂａｓｅ＿ａｄｄｒｅｓｓ）＆０ｘ２ＦＦＥ００００）
＝＝０ｘ２０００００００）｛
　　ＪｕｍｐＡｄｄｒｅｓｓ＝＊（＿＿ＩＯ　ｕｉｎｔ３２＿ｔ＊）（Ａｐｐ＿ｂａｓｅ＿ａｄｄｒｅｓｓ
＋４）；／／Ａｐｐ＿ｂａｓｅ＿ａｄｄｒｅｓｓ为应用代码起始地址
　　Ｊｕｍｐ＿Ｔｏ＿Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＝（ｐＦｕｎｃｔｉｏｎ）ＪｕｍｐＡｄｄｒｅｓｓ；
　　／／初始化用户应用代码堆栈

1万 · 2019-9-15 17:22

备份代码存放在固件中的地址区间为０ｘ２８０００～
０ｘ１６８００，它作为应用代码的备份，只保留最基本的功能，
当引导代码检测到上次固件升级失败时，将加载备份代码
起始地址为重映射地址，并跳转到备份代码中运行，确保
系统的基本功能能够实现，防止因固件升级失败导致板卡
功能失效。

1万 · 2019-9-15 17:22

应用程序代码存放的位置为０ｘ１６８００～０ｘ３ＦＦＦＦ，共１６６ＫＢ，用于实现全部的用户自定义应用程序，包括ＳＴＭ３２和ＦＰＧＡ的固件自动升级任务。μＣ／ＯＳ－ＩＩ系统提供了任务调度、任务管理、内存管理、任务间通信等基本功能，固件升级功能通过５个任务相互协调完成。这５个任务包括ＩＰ层任务、ＴＣＰ层任务、网络服务任务、ＦＰＧＡ升级任务、外部Ｆｌａｓｈ读写驱动任务。

1万 · 2019-9-15 17:22

1万 · 2019-9-15 17:23

1万 · 2019-9-15 17:23

该任务主要用于与上位机之间建立连接并实现数据传输。此任务建立网络服务器，接收来自于上位机的连接、服务请求，并接收升级固件。升级固件包括ＳＴＭ３２和ＦＰＧＡ固件两种，当接收到升级ＳＴＭ３２的请求后启动外部Ｆｌａｓｈ读写驱动任务，将接收到的升级数据保存到外部Ｆｌａｓｈ中，当收到完整的升级数据后将升级标志置为１并存储到特定的Ｆｌａｓｈ地址。重新上电之后，引导代码优先启动，并检查该标志位，如果为１，启动升级流程，清空标志位。应用ＤＭＡ将外部Ｆｌａｓｈ中的固件读出并拷贝到内部Ｆｌａｓｈ中然后进行重映射，程序将跳转到应用程序入口运行。此任务对外的接口为接收消息队列和网络层接口队列（通过标准的Ｓｏｃｋｅｔ接口与ＴＣＰ／ＩＰ进行通信）。图７为网络服务任务的流程图。

1万 · 2019-9-15 17:23

1万 · 2019-9-15 17:24

ＦＰＧＡ的固件是通过网络服务任务接收而来的。网络服务任务传递消息给外部Ｆｌａｓｈ读写驱动任务，调用写外部Ｆｌａｓｈ函数将数据按页写入到外部Ｆｌａｓｈ中并进行回读校验，随后启动ＦＰＧＡ升级任务。将按页读取的数据通过ＪＴＡＧ协议写入到ＦＰＧＡ外接的ＰＲＯＭ存储器中。重新上电后，经过配置的ＦＰＧＡ会自动读取ＰＲＯＭ中的固件并运行。ＦＰＧＡ升级任务首先初始化Ｉ／Ｏ及ＪＴＡＧ接口，并申请用于保存外部Ｆｌａｓｈ数据的缓存区，顺序地读取固件数据，通过异或校验码确定读取数据的正确性，然后调用ＪＴＡＧ下载函数执行程序下载。ＪＴＡＧ函数中每次读取指定字节的数据并按照ＪＴＡＧ协议下载到ＦＰＧＡ的存储器中，通过写入之后的回读校验来验证写入固件数据的正确性。当所有固件数据都正确写入后向网络服务任务返回升级成功信号，否则返回错误信息。ＦＰＧＡ升级任务再次进入等待状态，等待任务启动信号量的唤醒，图９为ＦＰＧＡ升级任务流程图。

1万 · 2019-9-15 17:24