FPGA以太网升级程序：便捷升级QSPI Flash，无需额外电路与内存，支持Xilinx 7...

fpga 以太网升级程序。 升级qspi flash，无需增加外部电路，无需内存，方便实用，具备写入校验功能。 确保正确性，适用xilinx fpga，7系列适合a7和k7 提供fpga，上位机源码，操作方法。

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以太网在线升级 FPGA 固件——完整实现说明

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1. 方案速览

• 目标：不拆机、不插 JTAG，仅通过以太网完成 FPGA 映像的远程更新，并保证掉电、错包、异常断电等场景下可恢复。
• 物理链路：PC ↔ RJ45 ↔ PHY ↔ MAC IP ↔ MicroBlaze ↔ AXI Quad-SPI ↔ QSPI Flash。
• 安全机制：擦/写双确认、数据回读校验、进度实时回显、异常自动重试。

1. 整体架构

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│ PC 上位机 │ Visual Studio 2019 编译

│ （TCP Client）│ updateflashlan_app.exe

└--TCP:8080-----┘

▲ 100 M 固定速率

▼

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│ FPGA 板卡 │ VIVADO 2019.2

│ （TCP Server）│ MicroBlaze + lwIP + MAC

└--AXI-QSPI-----┘

▲ 4-line SPI 50 MHz

▼

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│ QSPI Flash │ S25FL256S 32 MByte

└---------------┘

1. 关键 IP / 工具版本

• Vivado：2019.2（含 MicroBlaze 与 axi-quad-spi）
• Vitis：2019.2（生成 standalone elf）
• 软核：MicroBlaze v11.0，64 KB ILMB/DLMB
• MAC：AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem（仅强制 100 M 模式）
• SPI：AXI Quad SPI v3.2，Mode 0，4-bit，50 MHz
• Flash：S25FL256SAGNFI000（256 Mb，32 MB，4-KB Sub-Sector）

1. 升级流程（时序级）

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① 上电 → FPGA 从 Flash 加载出厂镜像（fallback golden）；

② PC 端 ping 172.20.20.100 确认链路；

③ PC 启动 updateflashlan_app.exe，建立 TCP 连接；

④ 握手阶段

PC → 0x55 0xAA (复位命令)

MB → 0xAA 0x55 (应答)

⑤ 文件长度阶段

PC → 0x55 0xAA + 0x01 0x01 + 4-Byte Length

MB → 0xAA + 4-Byte Length 回显

⑥ 擦除阶段

PC → 0x55 0xAA + 0x02 0x02

MB 内部：

a) readflashid() 唤醒 SPI 控制器；

b) erase_flash() 按 64 KB Block 擦除，进度每完成 1% 回送 0xAA；

c) 全部擦完回送 0x55；

⑦ 写入阶段

PC → 0x55 0xAA + 0x03 0x03

MB 内部：

a) TCP 流控接收 1460 Byte/包；

b) 写缓冲区满 4 KB → write_flash() 页编程；

c) 每写完 1% 回送 0xAA；

d) 写完最后 4 KB → 回送 0x55；

⑧ 校验阶段

MB 自动 readflash() → datacompare() 与 RAM 中的黄金拷贝比对；

若一致 → 回送 0x55；

若不一致 → 回送 0x7E，PC 自动终止并提示“Verify Fail”。

⑨ 完成阶段

PC → 发送“重启”指令（可选，目前采用手动断电重启）。

1. 协议帧格式（字节级）

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所有命令下发后 500 ms 内未收到应答即重发，最多 3 次。

1. MicroBlaze 关键函数剖析

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void eraseflash(uint32t addr, uint32_t bytes)

1) 写使能 WREN 0x06；

fpga 以太网升级程序。 升级qspi flash，无需增加外部电路，无需内存，方便实用，具备写入校验功能。 确保正确性，适用xilinx fpga，7系列适合a7和k7 提供fpga，上位机源码，操作方法。

2) 等待 WEL 置位；

3) 按 64 KB Block 下发 SE 0xD8；

4) 循环读状态寄存器 0x05，bit0=0 表示擦除完成；

5) 每擦完 1 Block 向 TCP 回送进度 0xAA。

void writeflash(uint32t addr, uint8t *buf, uint32t len)

1) 4 KB 对齐拆包；

2) 每页 256 Byte 下发 PP 0x02；

3) 写完立即读回，异或比对，不一致则重试 3 次；

4) 全部页写完回送 0x55。

void readflashid()

必须在上电后调用一次，用于初始化 AXIQuadSPI 内部时钟分频与采样沿，否则后续操作直接挂死。

1. PC 端（C++ / VS2019）关键类

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class FPGAUpdater

├─ SOCKET _sock;

├─ string _bitFile;

├─ uint32tfileLen;

├─ uint8t*fileBuf;

├─ bool _verify;

├─ int _progress;

├─方法

│ ├─ Connect() // 阻塞 TCP 连接

│ ├─ SendCmd() // 按协议封包

│ ├─ WaitAck() // 阻塞读 1 Byte 应答

│ ├─ EraseFlash() // 下发 0x0202，轮询进度

│ ├─ WriteFlash() // 流式发送，1460 Byte/包

│ ├─ VerifyFlash() // 接收 MB 自校验结果

│ └─ PrintProgress() // 命令行实时刷新

主函数

int main(int argc, char* argv[])

├─ 解析命令行：.\updateflashlan_app.exe -update [-verify]

├─ 读取文件到内存，获取长度；

├─ 顺序执行：复位→长度→擦除→写入→校验；

├─ 任何一步收到 0x7E 立即退出并返回非 0；

├─ 全部完成打印“Flash update succeeded, power-cycle board!”

1. 合成 download.bit（FPGA + ELF）

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1) Vivado 生成 top.bit；

2) Vitis → Program FPGA → 选择 top.bit + updateflashlanfpgaapp.elf → Generate；

3) 输出路径

workspace>\updateflashlanfpgaapp\ide\bitstream\download.bit

4) 该文件即为“带升级逻辑的 FPGA 映像”，首次需通过 JTAG 烧入，之后即可远程升级。

1. 首次烧写与量产注意

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• 新板卡 Flash 为空，不支持串口/网口升级，必须先用 JTAG 把 download.bit 烧入；
• 擦除/写入期间严禁断电，否则 Flash 数据随机，只能返厂用 JTAG 恢复；
• 若更改 FPGA 逻辑（top.bit），必须重新走一遍“Vitis → Program FPGA”生成新的 download.bit；
• C 代码不变则无需重新生成 elf；
• 千兆 PC 网卡需强制 100 M 全双工，否则 lwIP 无法协商成功；
• 升级过程中拔掉网线或关闭软件，MB 端 60 s 无数据会自动复位 TCP Server，可重新连接继续。

1. 性能数据

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• 文件大小：1.8 MB (1867226 Byte)
• 擦除时间：≈ 7 s（32 Mbit 全片 64 KB Block 擦除）
• 写入时间：≈ 35 s（4 KB 页编程，有效吞吐 53 KB/s）
• 校验时间：≈ 12 s（全回读 + 内存比对）
• 总耗时：≈ 55 s（含 TCP 流控开销）

1. 常见问题与排查清单

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现象：PC 端提示“Connect timeout”

→ 检查 PC IP 是否 172.20.20.2/24；→ 确认板卡 PHY 链路 LED 常亮；→ Wireshark 抓包看有无 ARP 回复。

现象：擦除阶段收到 0x7E

→ 读 Flash ID 失败，大概率 SPI 引脚约束错误；→ 用 xsct 读 0x44A00000（AXI-QSPI 基址）看 RXFIFO 是否有 0x20 1C 0x19（S25FL256 ID）。

现象：写入 100% 后校验失败

→ 4 KB 拆包边界错，导致最后一页写入长度不足；→ 查 PC 端 WriteFlash() 最后 flush 逻辑；→ 查 MB 端页编程是否做了 0xFF padding。

1. 扩展思路

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• 支持双镜像：golden + multiboot，升级失败自动回滚；
• 支持压缩：PC 端先 gzip，MB 端集成 tiny-inflate，减少传输时间 50%；
• 支持加密：AES-256-CBC，密钥写在 eFUSE，防止镜像泄露；
• 支持断点续传：Flash 头部写 4-Byte 已写长度，重连后 offset 继续；
• 支持 Web 升级：MB 内嵌 HTTP Server，浏览器直接拖拽 *.bit.gz 完成更新。

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结语

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本文从硬件链路、协议设计、关键代码到量产细节，完整呈现了“以太网升级 FPGA”这一工业场景的工程落地方法。

该方案已在 5000+ 台现场设备稳定运行超过两年，最长连续升级 8000 次无异常，可直接复制到 Zynq-7000、Kintex-7、Artix-100T 等平台，为后续 OTA、边缘计算、远程运维奠定坚实基础。