「正點原子FPGA連載第三十六章遠程QSPI Flash實驗

1）摘自【正點原子】領航者 ZYNQ 之嵌入式開發指南

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第三十六章基於TCP協議的遠程更新QSPI Flash實驗

在《程序固化實驗》中，我們了解了如何通過SDK軟體將BOOT.bin文件固化到QSPI中，這種現場通過SDK軟體固化的方式很常用，重新固化也很方便。然而在實際應用中，通過SDK軟體固化或重新固化QSPI並不一定可行，如產品量產發布後進入維護升級階段，若需要修改、更新QSPI中的BOOT.bin文件，遇到產品安放在高危環境中或產品整合到大型機械內部，或產品生產時沒有預留JTAG口，而是預先將程序固化到QSPI中等情況，使用SDK軟體現場重新固化就不可行。此時通過網絡遠程更新QSPI的方式將顯得極其重要和方便。本章我們將介紹如何使用TCP協議實現遠程更新QSPI。本章包括以下幾個部分：
3636.1簡介
36.2實驗任務
36.3硬體設計
36.4軟體設計
36.5下載驗證
36.1簡介
在《程序固化實驗》中我們可以看到，將生成的BOOT.bin文件燒寫到QSPI中就完成了程序固化，其實質是將BOOT.bin文件的數據寫入到QSPI中。將數據寫入到QSPI中的方式有多種，通過SDK軟體工具使用JTAG接口寫入是一種常用的方式。除此之外，我們在《QSPI讀寫實驗》通過調用相關函數操作QSPI向QSPI中寫入數據也是一種常用的方式。顯然，遠程更新QSPI使用的是後一種方式。
遠程更新QSPI就是將BOOT.bin文件通過網絡協議如常用的TCP、UDP協議傳給遠端聯網的文件接收端即領航者開發板。接收端將文件暫存在DDR3中，當文件傳輸完成後，接收端接收到更新命令後將調用相關函數將文件數據寫入到QSPI中，寫入完成後為了防止寫入出錯，需要將寫入到QSPI中的數據讀出以進行校驗。校驗成功後就可以重新以QSPI啟動的方式啟動，完成遠程更新。
從上述可以看出，接收端的領航者開發板作為服務端，發送端作為客戶端將BOOT.bin文件數據上傳給服務端是一個較好的客戶/伺服器模型。有一個特別需要注意的地方是，當客戶端上傳完文件後，作為服務端的領航者開發板如何知道文件傳輸完成並啟動更新呢。
有兩種方式可以解決。一是客戶端傳輸完成後，關閉連接，服務端知道客戶端關閉連接後知道文件傳輸完成，更新QSPI。此種方式弊端很多，如不能知道後續的更新情況，若發生寫入到QSPI錯誤，不能及時修復，以及不能避免因環境問題導致的網絡誤關閉。另一種是當客戶端傳輸文件完成後，向服務端發送更新命令，服務端接收到更新命令後啟動更新。為了防止傳錯文件等意外情況，也可以添加清除命令，使之前傳送的數據無效。
由於TCP協議的穩定可靠，本章我們選擇TCP協議作為網絡傳輸協議。領航者開發板利用lwip協議棧開啟TCP服務作為服務端，可以寫一個TCP客戶端的上位機或使用網絡調試助手開啟TCP客戶端傳送BOOT.bin文件。
最後我們比較下通過SDK軟體更新（使用JTAG接口方式）和網絡更新方式的優缺點。
表 36.1.1 更新方式比較

36.2實驗任務
本章的實驗任務是使用LWIP協議棧的tcp協議實現遠程更新QSPI的功能，當輸入「update」命令時更新QSPI並反饋信息，當輸入「clear」命令時之前傳輸的數據無效。
36.3硬體設計
根據實驗任務我們可以畫出本次實驗的系統框圖，如下圖所示：

圖 36.3.1 系統框圖

在圖 5.3.1中，UART用於列印程序相關的信息，LWIP通過乙太網傳輸文件數據，傳輸的BOOT.bin文件數據寫入到QSPI中。
step1：創建Vivado工程
本次實驗的硬體設計只需在《LWIP echo server》實驗的基礎上添加QSPI即可。
1-1 我們先打開《LWIP echo server》實驗的Vivado工程，打開後將工程另存為 「qspi_update_tcp」工程。
step2：使用IP Integrator創建Processing System
2-1 在Vivado界面左側的Flow Navigator中，點擊IP INTEGRATOR下的Open Block Design以打開Diagram窗口。然後在右側打開的Diagram界面中雙擊ZYNQ Processing System模塊修改其配置，即使能QSPI，如下圖所示：

圖 36.3.2 使能QSPI Flash控制器

2-3 配置完成後點擊「OK」。然後在Diagram窗口空白處右擊，然後選擇「Validate Design」驗證設計。驗證完成後彈出對話框提示「Validation Successful」表明設計無誤，點擊「OK」確認。最後按快捷鍵「Ctrl + S」保存設計。
step3：生成頂層HDL
在Source面板中，右鍵點擊Block Design設計文件「system.bd」，然後執行「Generate Output Products」。
step4：生成Bitstream文件並導出到SDK
由於本實驗未用到PL部分，所以無需生成Bitstream文件，只需導出到SDK即可。如果使用到PL，則需要添加引腳約束以及對該系統進行綜合、實現並生成Bitstream文件。
4-1 導出硬體。
在菜單欄中選擇 File > Export > Export hardware。
並在彈出的對話框中，取消勾選「Include bitstream」，直接點擊「OK」按鈕。
因為是在前一工程的基礎上建立的，還保留著前一工程的結果，所以會彈出「Module Already Exported」對話框，我們點擊「Yes」按鈕。
4-2 硬體導出完成後，選擇菜單File->Launch SDK，啟動SDK開發環境。
36.4軟體設計
本次實驗的軟體設計與《LWIP echo server》實驗無本質差別，程序框架保持不變，主要是將《LWIP echo server》實驗的echo.c文件實現的功能改寫成需求的遠程更新QSPI功能，可在《LWIP echo server》實驗的基礎上修改，但為了方便程序的管理，此處我們刪除《LWIP echo server》實驗的應用工程，保留bsp工程。下面我們開始第五步——創建應用工程。
step5：在SDK中創建應用工程
5-1 在菜單欄中選擇File->New->Application Project, 新建一個SDK空應用工程。
在彈出的界面中，輸入工程名「qspi_update_tcp」，注意Board Support Package選擇「Use existing」，然後選擇「Next >」，如下圖所示，在下一界面選擇「Empty Application」。

圖 36.4.1 新建SDK應用工程

5-2 大家可以從提供的例程中拷貝SDK的源文件，需拷貝的文件如下：

圖 36.4.2 源文件

main.c文件和平臺相關文件platform.h、platform_config.h、platform_zynq.c與《LWIP echo server》實驗中的相同，是使用lwip的通用源碼文件，剩下的三個源文件是我們本實驗的主要功能文件。其中qspi_driver.c是QSPI的驅動文件，主要包括QSPI的初始化和更新QSPI功能、qspi_remote_update.c是程序的核心文件，實現TCP伺服器功能並接收客戶端發送來的文件以及響應客戶端的命令、qspi_remote_update.h是聯繫qspi_remote_update.c與qspi_driver.c的頭文件。下面我們對主要內容進行講解。
5-2 主要內容講解
首先我們來看qspi_remote_update.h頭文件，其內容如下：

1. 1 define SRC_QSPI_REMOTE_UPDATE_H_
2. 3
3. 4 34;xparameters.h&include &34;
4. 6 34;xstatus.h&include <stdio.h>
5. 8
6. 9 //伺服器埠
7. 10 define MAX_FLASH_LEN 16*1024*1024
8. 13
9. 14 int qspi_init();
10. 15 int qspi_update(u32 total_bytes, const u8 *flash_data);
11. 16 void process_print(u8 percent);
12. 17 void sent_msg(const char *msg);
13. 18 float get_time_s();
14. 19
15. 20 34;tcp connection closed\r\n&34;update&34;\r\nStart QSPI Update\r\n&34;clear&34;Clear received data\r\n&34;Clear received data\r\n&34;Start QSPI Update!\r\n&34;file size of BOOT.bin is %lu Bytes\r\n&34;file size of BOOT.bin is %lu Bytes\r\n&34;Update Qspi Error!\r\n&34;Update Qspi Error!\r\n");
16. 82 }
17. 83 else
18. 84 total_bytes = 0;
19. 85 }
20. 86
21. 87 start_update_flag = 0;
22. 88
23. 89 return 0;
24. 90 }

在《LWIP echo server》實驗的echo.c文件中我們並沒有用上transfer_data()函數，此處我們將transfer_data()函數用做更新QSPI的起始函數。當發送方發送「update」更新命令時，程序將開始更新標誌start_update_flag置1，從而使transfer_data()函數得以調用qspi_update()函數更新QSPI。transfer_data()函數在main函數的while(1)循環中被調用。
5-11 lwip設置
為了提高數據傳送的效率，我們對lwip進行相應設置。右鍵點擊bsp工程lwip_server_bsp，在彈出的菜單中選擇「Board Support Package Settings」，如下圖所示：

圖 36.4.3 打開BSP設置

在打開的界面中，點擊standalone下的lwip202，設置右側界面的選項。主要設置的選項如下：
設置lwip_memory_options選項。將mem_size設置為524288，增加可得到的總的堆空間；將memp_n_pbuf設置為1024，增加pbuf數；將memp_n_tcp_seg設置為1024，提高同時排隊的TCP段數。如下圖所示。

圖 36.4.4 設置lwip_memory_options選項

設置pbuf_options選項。將pbuf_pool_size為pbuf池中的緩衝區數量。對於高性能系統，可以考慮將pbuf池大小增加到一個較高的值，此處設為16384，如下圖所示。

圖 36.4.5 設置pbuf_options選項

設置tcp_options選項，將tcp_snd_buf和tcp_wnd設為65535，增大tcp發送緩衝空間和窗口大小，如下圖所示：

圖 36.4.6 設置tcp_options選項

設置temac_adapter_options選項，將n_rx_descriptors 和n_tx_descriptors設置為512，以提高系統性能，如下圖所示

圖 36.4.7 設置temac_adapter_options選項

其餘選項保持默認即可，無需修改。
36.5下載驗證
首先我們將下載器與領航者底板上的JTAG接口連接，下載器另外一端與電腦連接。然後使用Mini USB連接線將USB UART接口與電腦連接，用於串口通信。使用網線一端連接領航者開發板的乙太網接口，另一端與電腦或路由器連接。最後連接開發板的電源，並打開電源開關。
現在進入最後一步。
step6：板級驗證
6-1 在SDK軟體的下方的SDK Terminal窗口中點擊右上角的加號連接串口。
6-2 下載程序。下載完成後，可以看到串口列印的結果如下：

圖 36.5.1 顯示列印結果

如果接到路由器，因為有DHCP伺服器，可自動獲取IP 給開發板；如果沒有DHCP 伺服器，則當領航者開發板DHCP超時時使用默認IP 地址：192.168.1.10，埠號為設置的6789。圖 36.5.1中紅框圈起來的，表示QSPI初始化成功。
6-3 遠程更新QSPI
打開網絡調試助手，在網絡調試助手發送區設置裡選擇「啟用文件數據源」，選擇需要發送的BOOT.bin 文件，這裡我們選擇《程序固化實驗》生成的BOOT.bin 文件，然後點擊發送，如下圖所示：

圖 36.5.2 加載BOOT.bin 文件

傳輸完成後，輸入更新QSPI命令「update」，如下圖所示：

圖 36.5.3 輸入更新QSPI命令「update」

輸入更新QSPI命令「update」後，啟動QSPI更新，更新信息實時通過網絡傳送回發送方，顯示在網絡調試助手中，如下圖所示：

圖 36.5.4 實時反饋的更新進度信息

通過傳送回的文件大小，可以了解到傳送過程中有沒有丟包。更新進度信息中的Elapsed time表明每個操作（擦除、寫入、校驗）所花費的時間。
此時，接收方也會通過串口實時輸出更新信息，如下圖所示：

圖 36.5.5 接收方通過串口實時輸出更新信息

校驗成功後，關閉電源開關。將領航者核心板上的啟動模式開關左邊撥到上面（置為1），右邊撥到下面（置為0），即設置為由QSPI Flash啟動，然後再次打開電源開關。
電源開關打開後，核心板上PL配置完成的指示燈點亮。然後每次按下底板上PL_KEY0，可以改變核心板上LED2的顯示狀態，說明遠程更新QSPI成功，本次實驗在領航者ZYNQ開發板上面下載驗證成功。