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何为热升级

你知道热刷新吗

FPGA是怎么热升级的

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何为热升级

说起热升级，白嫖君使用最多的还是ARM的热升级，就是不通过烧录器，使用外设接口，比如串口、网口、USB等等，通过自己拟定的一套通信协议给设备进行程序更新。

就像现在造车新势力比较流行的OTA，Over-the-Air Technology，翻译过来就是空中下载技术，通过车载的SIM卡联网进行升级。

蔚来汽车OTA界面

要白嫖君说么，OTA的出现对普通消费者来说不算一件好事，因为厂家修改软件的成本大大降低，他在出厂之前对质量的把关就不会那么严格了，无非就是给客户推送个升级包的事嘛。

但是对工程师来说，热升级这种技术实在是救命稻草。当你的设备交付客户了，安装在地球上还好，管他天南海北人都能过去，要是像白嫖君的企业一样，设备装卫星上天了，那真出问题想修改一次你咋去？

你知道热刷新吗

说到这里，再给大家讲一种技术，叫热刷新。众所周知，在外太空弥漫着大量的宇宙射线，脱离了大气层的保护，我们的太空设备常常会暴露在高能量的辐照下，那么这种宇宙辐照有极低的概率穿过厚厚的金属屏蔽腔，然后进入我们的芯片，使芯片内部发生粒子翻转，运算逻辑出错。所以一旦发生粒子翻转，对设备简直是致命打击。

宇宙射线导致粒子翻转

这种情况下，就需要用到热刷新技术了，一般是一个抗辐照的专用芯片，定时去回读FPGA的程序，当回读检测到FPGA发生单粒子翻转时，可以采取重载的方式消除单粒子的影响；也可以定时刷新FPGA，削减单粒子的累计效应。

所以，当设备上了太空，工作环境和地面完全不可同日而语，因此宇航级别的芯片要比商业级的芯片贵几百几千倍也不足为奇了。

FPGA是怎么热升级的

言归正传，本篇文章讲FPGA的远程升级步骤，以Xilinx家的Artix7为例。

为什么会觉得FPGA也能远程升级难以理解呢，因为FPGA不同于ARM或者单片机一样有堆栈，有启动指令，上电需要一系列复杂的指令之后才能完成初始化。FPGA里面全是触发器这种东西（可以这么理解），纯靠晶振时钟驱动，时钟来一次他就工作一次，根本没有堆栈这种概念，也没有什么地址映射，内存映射这种概念。所以我们对它上电怎么开始运行的几乎完全不知情。只知道他上电后从外挂的一片flash中把程序读走，然后就开始工作。你想改变他的运行指针？不好意思，没有指针！

那么FGPA是怎么实现远程升级的呢？首先我们需要了解下FPGA加载程序的工作原理，FPGA内部是有一个晶振的，这个晶振大抵就是个LC振荡电路产生的一个时钟信号，使用QSPI时序将程序从flash中读出，然后对程序做一个CRC校验，校验通过后，把程序加载到FPGA上的SRAM之后，就开始执行我们的程序了，如下图红色部分，FPGA通过这四根线从外部flash加载程序。

FPGA通过QSPI从外部flash加载程序

其实学问藏在flash芯片的布局里。flash芯片被我们人为地分成了两部分，分别是golden image和update image。

golden image看名字就知道了，我把它叫做金坷垃boot，金坷垃boot一旦固化后就不再动了，当升级程序错误的时候，会回退到这个金坷垃boot来，所以必须保证金坷垃boot是个非常稳定的boot；

update image就是我们正常执行的程序了，我们升级程序也是对这个image所在的flash扇区进行的擦写覆盖。

如下图所示，FPGA工作时，可以通过QSPI时序擦写update image。

FPGA热升级示意图

FPGA上电后的流程是：

1. 上电后，FPGA首先从0地址读取程序，把金坷垃程序读取回来；

2. 发现金坷垃使能了跳转，于是我们跳转至update image，于是从update image所在的扇区地址读取程序；

3. 校验update image文件的正确性，如果校验不对就地死机；

4. 由于死机，看门狗定时时间到，清零跳转使能寄存器，系统复位；

5. 执行金坷垃程序。

具备热升级能力的FPGA上电加载流程

下一篇文章，我们将对技术的实现细节和一些实现过程中会遇到的小坑写出来，有兴趣的伙伴记得持续关注哦~

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作者 | 冰茶奥利奥

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