ARM在线升级FPGA程序方法（逆向工程）

公司有款产品采用FPGA做处理器，需要远程升级—— 不使用烧写器，通过网络对其升级。领导提议既然程序是存储在外部存储器上的，那么能否通过EPCS4与ARM SPI 总线通信连接刷新FPGA程序呢？于是就有了下文的实践。

要实现该功能有几种方式：

1. 解析编译出的FPGA下载文件jic、pof，将解析后的内容烧录到EPCS4中。但是否这两种文件格式公开存储结构呢？芯片厂商是否对此保密？

2. 直接读取EPCS4的程序，烧录到另一块EPCS4中。但是否读取的EPCS4内容以及根据FPGA序列号做了加密呢？

权衡任务安排时间，选择第二种方案，毕竟就算第一种方案可行，也需要设计第二方案的读写操作。 可喜的是这次逆向工程就这么搞定了。

具体实现

ARM用IO模拟SPI总线烧FPGA配置芯片EPCS4完成软件升级，在TQ2440上测试，工程可以通过下面的 github连接获得。该工程与TQ2440平台定制，在其他平台未必能运行，建议只看 BitOpt.h,EPCS4.c,EPCSxx.h,mainboot.c几个文件，其他无关代码不必多看。

升级步骤：

1、一块已经用下载器烧录FPGA程序的EPCS4与ARM连接，ARM读出EPCS4“所有扇区”数据保存到NandFlash中，然后拷贝到电脑备份。

2、另一块待烧录的FPGA与ARM连接，将刚读出的数据烧写进去。

读取的数据是最终执行的二进制Bin文件，因为Altera开发环境所生成的jic、pof与最终EPCS4内的内容不一样（除非找到生成Bin的方法）。之所以读取“所有扇区”数据是因为不知道实际Bin文件大小，干脆全部读出。EPCS4存储空间是512KB。IO模拟SPI时序的方式速度有限，读/写512KB各需要40S，用SPI总线速度会快不少。该方法已经在2块FPGA里运行没问题，证明Bin文件并没有在烧写过程中绑定FPGA芯片序列号。

演示：

启动后按“5”进入EPCS4测试代码。

按“N”将Bin文件从Nand拷贝到SDRAM的0x30200000，长度512KB。

按“W”将0x30200000的数据烧录到EPCS4中，写入后计算写入前数据校验码得0x00000039，然后再读出EPCS4中“所有”数据，计算读出内容的校验码也是0x00000039，比较校验移植返回“Success！！！”，否则返回“Check sum Error!!!”。

硬件连接：

升级过程中FPGA需要掉电，或者将FPGA与EPCSxx连接的引脚断开，否则3个设备连接到共用信号线无法通信。

EPCS4驱动编写、移植注意事项：

1、演示代码驱动部分EPCS4.c、EPCSxx.h采用的是IO模拟SPI总线协议，不能直接使用，需要看的是各函数实现的逻辑，照搬到WinCE上。该代码可以直接兼容EPCS4、EPCS16、EPCS64。对于EPCS1、EPCS128只要修改页面大小、扇区大小相关宏。EPCS1、EPCS128不支持epcs_read_silicon_id（具体查看EPCSxx芯片手册）。

2、Mainboot.c文件只需要看3个函数：epcs4_write_file()、epcs4_read_file()、check_sum()，其中读写函数必须根据具体芯片容量而定，可以通过读取芯片ID而获得芯片类型，动态修改烧写代码容量。

3、SPI时序CLK脉冲宽度“能宽不能窄”，芯片手册建议脉冲跨度大于20nS，演示代码中IO模拟SPI速率很低，脉冲宽度3uS，所以未加任何延时。据说2440SPI总线速率能达到20MB，所以有必要适当添加延时，或配置脉冲宽度，

4、Read Status命令可以再任何时候发送，返回0表示处于空闲状态（具体状态意义查看芯片手册），发送Read Status以外的命令必须确定芯片处于空闲状态，否则命令被抛弃。

5、“每次”发送写、擦除命令前必须发送写使能命令

6、发送“连续”读、写字节命令最大长度只能在一个Page范围之内，读写到Page末地址若还有数据请求，多余的部分被芯片抛弃。

7、不允许在一个CS周期内发送两个命令

正确的命令是：CS拉低——发送命令1——CS拉高；CS拉低——发送命令2——CS拉高；

不允许：CS拉低——发送命令1——发送命令2——CS拉高；

建议移植代码测试步骤

1、读取芯片ID号（silicon ID或Device Identification）

2、如果读取错误的话用示波表查看时序，保证CLK脉冲周期大于40ns，以及MOSI发送的内容正确（Read silicon ID——0xAB或Read silicon ID——0x 9F）。

3、读取扇区内容。

4、擦除、写入（写入前必须先擦除）所有扇区，并读出写入数据。

5、读取EPCSxx数据在NandFlash里建立bin文件，最后烧写到EPCSxx能运行

6、与节点管理器添加更新FPGA通信协议