【时间：2024 年 06 月 20 日, 来源：Cytech Engineer, 作者：Ted Gao】

本文介绍一种基于串口远程升级Intel FPGA的方法，在Intel FPGA运行NIOS，上位机通过串口连接NIOS对FLASH进行操作，上传用户的新FPGA设计，通过擦除重写FLASH，来达到更新Intel FPGA程序的目的。

此应用主要面向有二次升级需求的用户。例如产品出厂之后，客户需要进行刷机更新，就可以采用这个方案，将最新的程序放在官网给客户下载之后，通过串口自行升级。再例如整机装配之后，不方便留调试AS/JTAG口，就可以留串口，利用本文提供的方法进行整机调试过程中的程序更新升级。本文篇幅较长，全文目录如下：

• 一、 实验要求以及方案信息
• 二、 参考例程文件
• 三、 框图
• 四、 例程设置
  
  • 4.1 下载文件生成
  • 4.2 下载文件合成
  • 4.3 下载FPGA镜像和nios ii 软件镜像
  • 4.4 生成升级RPD文件
• 五、 运行
• 六、 实际应用
  
  • 6.1 修改例程
  • 6.2 实际应用操作
  • 6.3 实际应用容易出现的问题以及避免
• 七、 常见错误/问题
  
  • 7.1 新建NIOS II 软件程序
  • 7.2 Scanf函数
  • 7.3 UART指向
  • 7.4 写保护开关
  • 7.5 Remote Update IP
  • 7.6 数据截取文件从RPD而非JIC
  • 7.7 SOF、JIC、ELF、HEX
  • 7.8  NIOS调试以及下载
• 八、 总结

一、实验要求以及方案信息

实现本文实验的要求:

• Cyclone IV EP4CE10E22C8 开发板
• Intel Quartus Prime 17.1
• USB转RS232 串口线
• 二进制/十六进制文本编辑器

方案信息：

• 占用资源：LE≤3610、PLL 1个、Memory 87056bits
• Flash型号：MT25QL128ABA1ESE-0SIT 128MB SOP-8

二、参考例程文件

参考例程包含一个原厂镜像（Factory Image），两个应用镜像（Application Image），以及各自对应的NIOS软件程序（NIOS II Software）。包含下载所需的JIC文件，以及合成JIC需要的SOF和HEX文件，升级需要的RPD文件。

升级文件列表如下所示：

三、框图

四、例程设置

4.1 下载文件生成

1、SOF文件生成

FPGA文件编译完成之后就可以生成。

2、HEX文件生成

• 在Quartus 菜单栏上打开“Tools”下的“Nios II Software Build Tools for Eclipse”。
• 在弹出的Workspace Launcher中选择Factory文件夹中的“Software”文件夹，单击OK。
• 右击factory_bsp，选择build project。
• BSP build complete之后，右击factory，单击build factory。
• factory build complete之后，右击factory，单击make targets，选择build。
• 在Make Targets 中选择mem_init_genertate，单击Build。
• 生成的HEX文件在\Factory\software\factory\mem_init 文件夹下，epcq_controller.hex（可修改为factory.hex）。

4.2 下载文件合成

1、在Quartus的Files里面打开 “Convert Programming Files…”
2、在 “Output programming file” 选项卡, 设置一下项目:

• Programming file type: JTAG Indirect Configuration File (.jic)
• Configuration device: EPCQ128 (select according to your EPCQ type)
• Mode: Active Serial
• File name: You may select your preferred path for the output file (.jic).

3、勾选 “Create config data RPD (Generate output_file_auto.rpd)”。
4、在“Input files to convert” 选项卡, 按照以下步骤进行设置：

• 选择 “Flash Loader”,单击 “Add Device”， 选择Cyclone IV里面的“EP4CE10” 。
• 对于原厂镜像的FPGA SOF文件，需要设置如下：

i.  选择“Page_0” 然后单击“Properties”。
ii.  选择“Address mode for selected pages” 里面的“Block”。。
iii.  设置“start address”为“0X00000000”，设置“end address”为“0X003BFFFF。
iv.  单击“Add File”，然后将原厂镜像的SOF文件“Factory.sof”添加进来。

• 对于Application_1，设置如下：

i.    单击“Add Sof Page”。
ii.    选择“Page_0” 然后单击“Properties”。
iii.    选择“Address mode for selected pages” 里面的“Block”。
iv.    设置“start address”为“0X00400000”，设置“end address”为“0X007BFFFF。
v.    单击“Add File”，然后将SOF文件“Application_1.sof”添加进来。

• 同理，将Application_2的“start address”为“0X00800000”，设置“end address”为“0X00BBFFFF”。
• 对于原厂的nios 程序文件，需要设置如下：

i. 单击“Add Hex Data”，打开对话框。
ii. 单击“Hex file”框后面的省略号，选择生成的factory.hex文件。

5、最后单击Generate，生成JIC文件。

4.3 下载FPGA镜像和nios ii 软件镜像

• 连接USB Blaster，板子上电。
• 从“Tools”打开“Programmer”，点击“Hardware setup……”，选择“USB-Blater II”。
• 点击“Auto Detect” 选择“EP4CE10”。
• 点击“File”，选择生成的JIC文件。同时在“Program Configure”打钩。

• 打开“Tools”里面的“Options……”，在“Unprotect EPCS/EPCQ devices selected for the erase/program operation”选项打钩。
• 点击“Start”，开始下载，下载完成后，板子重新上电。

4.4 生成升级RPD文件

我们在生成JIC文件的时候，同时生成了RPD（Raw Programming Data）文件，我们的升级文件需要从RPD文件中截取出来。

• 利用文本编辑器将生成的“output_file_auto.rpd”文件打开，在“‘编辑“菜单下，选择“选择块”，打开对话窗口。
• 对于Application_1，FPGA程序对应地址范围：0x00400000 – 0x007BFFFF，在“选择块”的窗口的起始偏移中，填入“400000”，在结束偏移中填入“7BFFFF”，单击确定，选择数据。
• 在选择的数据上右键选择“复制”。
• 单击“新建”，右键选择“插入式粘贴”，在弹出的改变文件大小提示对话框中选择“确定”。
• 选择“文件”菜单下的“另存为”，选择合适位置，存为“app1_hw.rpd”。

重复上述步骤，根据下面的表格中所列出的起始偏移地址和结束偏移地址，截取出Application_1的NIOS程序，Application_2的FPGA程序和NIOS程序。

程序占用空间列表如下所示：

• 请确认生成的RPD文件有着正确的文件大小。

五、运行

1、连接USB转RS232串口线，连接USB Blaster II，板子上电。

2、打开串口调试助手（理论上任一串口调试皆可，但实际操作中发现有些软件是不行的，如果有发不出数据的情况，可以考虑换一个串口调试助手）。打开串口的设置，设置波特率“115200”，校验位“None”，数据位“8”，停止位“1”。

3、程序跳转

• 重新上电，会在接收区看到打印信息，可以看到程序从Factory启动。

• 从串口发送字符“5”，从打印信息中看到程序从Factory镜像转到Application_1镜像启动。

• 重新上电，同样操作，串口发送6，程序会从Factory镜像转到Application_2启动。

4、串口远程更新，本次更新将Application1的hardware擦除，然后将Application2的hardware更新到被擦除的区域。

• 重新上电，发送1，可以看到Flash相关区域（Application1的hardware）已经被擦除。

• 在串口调试助手上面的“选择发送文件”，选择之前生成的Application2的hardware文件，点击串口调试助手的“发送文件”选择发送。可以看到下面的发送窗口已经开始发送了。需要等待十分钟左右，等待发送完成。

• 待发送完成之后，会提示“Application 1 Hardware upgrade completed!”，但此时程序还是会打印程序从Factory启动，待重新上电后，发送“5,”，会提示程序从Application2启动（正常情况下会提示从Application1启动），升级成功。