【正点原子FPGA连载】第三十六章基于TCP协议的远程更新QSPI Flash实验-领航者 ZYNQ 之嵌入式开发

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在《程序固化实验》中，我们了解了如何通过SDK软件将BOOT.bin文件固化到QSPI中，这种现场通过SDK软件固化的方式很常用，重新固化也很方便。然而在实际应用中，通过SDK软件固化或重新固化QSPI并不一定可行，如产品量产发布后进入维护升级阶段，若需要修改、更新QSPI中的BOOT.bin文件，遇到产品安放在高危环境中或产品整合到大型机械内部，或产品生产时没有预留JTAG口，而是预先将程序固化到QSPI中等情况，使用SDK软件现场重新固化就不可行。此时通过网络远程更新QSPI的方式将显得极其重要和方便。本章我们将介绍如何使用TCP协议实现远程更新QSPI。本章包括以下几个部分：
3636.1简介
36.2实验任务
36.3硬件设计
36.4软件设计
36.5下载验证
36.1简介
在《程序固化实验》中我们可以看到，将生成的BOOT.bin文件烧写到QSPI中就完成了程序固化，其实质是将BOOT.bin文件的数据写入到QSPI中。将数据写入到QSPI中的方式有多种，通过SDK软件工具使用JTAG接口写入是一种常用的方式。除此之外，我们在《QSPI读写实验》通过调用相关函数操作QSPI向QSPI中写入数据也是一种常用的方式。显然，远程更新QSPI使用的是后一种方式。
远程更新QSPI就是将BOOT.bin文件通过网络协议如常用的TCP、UDP协议传给远端联网的文件接收端即领航者开发板。接收端将文件暂存在DDR3中，当文件传输完成后，接收端接收到更新命令后将调用相关函数将文件数据写入到QSPI中，写入完成后为了防止写入出错，需要将写入到QSPI中的数据读出以进行校验。校验成功后就可以重新以QSPI启动的方式启动，完成远程更新。
从上述可以看出，接收端的领航者开发板作为服务端，发送端作为客户端将BOOT.bin文件数据上传给服务端是一个较好的客户/服务器模型。有一个特别需要注意的地方是，当客户端上传完文件后，作为服务端的领航者开发板如何知道文件传输完成并启动更新呢。
有两种方式可以解决。一是客户端传输完成后，关闭连接，服务端知道客户端关闭连接后知道文件传输完成，更新QSPI。此种方式弊端很多，如不能知道后续的更新情况，若发生写入到QSPI错误，不能及时修复，以及不能避免因环境问题导致的网络误关闭。另一种是当客户端传输文件完成后，向服务端发送更新命令，服务端接收到更新命令后启动更新。为了防止传错文件等意外情况，也可以添加清除命令，使之前传送的数据无效。
由于TCP协议的稳定可靠，本章我们选择TCP协议作为网络传输协议。领航者开发板利用lwip协议栈开启TCP服务作为服务端，可以写一个TCP客户端的上位机或使用网络调试助手开启TCP客户端传送BOOT.bin文件。
最后我们比较下通过SDK软件更新（使用JTAG接口方式）和网络更新方式的优缺点。
表 36.1.1 更新方式比较


36.2实验任务
本章的实验任务是使用LWIP协议栈的tcp协议实现远程更新QSPI的功能，当输入“update”命令时更新QSPI并反馈信息，当输入“clear”命令时之前传输的数据无效。
36.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：

图 36.3.1 系统框图

在图 5.3.1中，UART用于打印程序相关的信息，LWIP通过以太网传输文件数据，传输的BOOT.bin文件数据写入到QSPI中。
step1：创建Vivado工程
本次实验的硬件设计只需在《LWIP echo server》实验的基础上添加QSPI即可。
1-1 我们先打开《LWIP echo server》实验的Vivado工程，打开后将工程另存为 “qspi_update_tcp”工程。
step2：使用IP Integrator创建Processing System
2-1 在Vivado界面左侧的Flow Navigator中，点击IP INTEGRATOR下的Open Block Design以打开Diagram窗口。然后在右侧打开的Diagram界面中双击ZYNQ Processing System模块修改其配置，即使能QSPI，如下图所示：

图 36.3.2 使能QSPI Flash控制器

2-3 配置完成后点击“OK”。然后在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
step3：生成顶层HDL
在Source面板中，右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后执行“Generate Output Products”。
step4：生成Bitstream文件并导出到SDK
由于本实验未用到PL部分，所以无需生成Bitstream文件，只需导出到SDK即可。如果使用到PL，则需要添加引脚约束以及对该系统进行综合、实现并生成Bitstream文件。
4-1 导出硬件。
在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware。
并在弹出的对话框中，取消勾选“Include bitstream”，直接点击“OK”按钮。
因为是在前一工程的基础上建立的，还保留着前一工程的结果，所以会弹出“Module Already Exported”对话框，我们点击“Yes”按钮。
4-2 硬件导出完成后，选择菜单File->Launch SDK，启动SDK开发环境。
36.4软件设计
本次实验的软件设计与《LWIP echo server》实验无本质差别，程序框架保持不变，主要是将《LWIP echo server》实验的echo.c文件实现的功能改写成需求的远程更新QSPI功能，可在《LWIP echo server》实验的基础上修改，但为了方便程序的管理，此处我们删除《LWIP echo server》实验的应用工程，保留bsp工程。下面我们开始第五步——创建应用工程。
step5：在SDK中创建应用工程
5-1 在菜单栏中选择File->New->Application Project, 新建一个SDK空应用工程。
在弹出的界面中，输入工程名“qspi_update_tcp”，注意Board Support Package选择“Use existing”，然后选择“Next >”，如下图所示，在下一界面选择“Empty Application”。

图 36.4.1 新建SDK应用工程

5-2 大家可以从提供的例程中拷贝SDK的源文件，需拷贝的文件如下：

图 36.4.2 源文件

main.c文件和平台相关文件platform.h、platform_config.h、platform_zynq.c与《LWIP echo server》实验中的相同，是使用lwip的通用源码文件，剩下的三个源文件是我们本实验的主要功能文件。其中qspi_driver.c是QSPI的驱动文件，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，实现TCP服务器功能并接收客户端发送来的文件以及响应客户端的命令、qspi_remote_update.h是联系qspi_remote_update.c与qspi_driver.c的头文件。下面我们对主要内容进行讲解。
5-2 主要内容讲解
首先我们来看qspi_remote_update.h头文件，其内容如下：

• 1 #ifndef SRC_QSPI_REMOTE_UPDATE_H_
• 2 #define SRC_QSPI_REMOTE_UPDATE_H_
• 3
• 4 #include "xparameters.h"
• 5 #include "xtime_l.h"
• 6 #include "xstatus.h"
• 7 #include
• 8
• 9 //服务器端口
• 10 #define SER_PORT 6789
• 11 //接收的最大文件大小16MB
• 12 #define MAX_FLASH_LEN 16*1024*1024
• 13
• 14 int qspi_init();
• 15 int qspi_update(u32 total_bytes, const u8 *flash_data);
• 16 void process_print(u8 percent);
• 17 void sent_msg(const char *msg);
• 18 float get_time_s();
• 19
• 20 #endif
  

代码第10行的宏定义的SER_PORT为TCP服务器端口号，可以看到我们使用的TCP服务器端口号为6789，可以根据需要进行修改。第12行宏定义的MAX_FLASH_LEN表示写入QSPI文件的最大字节数。虽然我们领航者开发板使用的QSPI为32MB，但一般使用时不会超过16MB，因为BOOT.bin文件一般只有4MB左右，此处我们定义为16MB（16*1024*1024），可以根据实际需求进行修改，但不能低于需要传送的BOOT.bin文件的大小。
代码第14行起为函数声明，其中qspi_init()为QSPI初始化函数，在创建TCP服务的start_application()函数中调用。 qspi_update(u32 total_bytes, const u8 *flash_data)是QSPI更新函数，形参flash_data为TCP服务器接收的BOOT.bin文件数据，total_bytes为BOOT.bin文件的大小，该函数主要实现的功能如下：
调用FlashErase函数擦除FLASH（QSPI），并反馈擦除进度及花费的时间
调用FlashWrite函数向FLASH中写入BOOT.bin文件数据，并反馈写入进度及花费的时间
调用FlashRead函数从FLASH中读出数据并与flash_data进行校验，反馈校验进度及花费的时间
QSPI的初始化以及上述函数的使用可参考《QSPI读写实验》。
process_print(u8 percent)为进度打印函数，打印QSPI更新时擦除、写入和校验的进度信息。
sent_msg(const char *msg)函数用于向发送方发送信息，以实时反馈更新进度。
get_time_s()为获取系统当前时间（单位秒sec）的函数，用于计时QSPI更新时擦除、写入和校验所花费的时间。
现在我们来看程序的核心文件qspi_remote_update.c。由于该源文件较长，我们取两个重要函数进行讲解。相比较于《LWIP echo server》实验中的echo.c文件只是实现了echo功能，将客户端发送给服务端的数据原封不动的发送回去，qspi_remote_update.c实现了接收客户端发送来的文件以及响应客户端的命令的功能。该功能由接收回调函数recv_callback实现，代码如下：

• 116 //接收回调函数
• 117 static err_t recv_callback(void *arg, struct tcp_PCB *tpcb, struct pbuf *p, err_t err)
• 118 {
• 119 struct pbuf *q;
• 120
• 121 if (!p) {
• 122 tcp_close(tpcb);
• 123 tcp_recv(tpcb, NULL);
• 124 xil_printf("tcp connection closedrn");
• 125 return ERR_OK;
• 126 }
• 127 q = p;
• 128
• 129 if (q->tot_len == 6 && !(memcmp("update", p->payload, 6))) {
• 130 start_update_flag = 1;
• 131 sent_msg("rnStart QSPI Updatern");
• 132 } else if (q->tot_len == 5 && !(memcmp("clear", p->payload, 5))) {
• 133 start_update_flag = 0;
• 134 total_bytes = 0;
• 135 sent_msg("Clear received datarn");
• 136 xil_printf("Clear received datarn");
• 137 } else {
• 138 while (q->tot_len != q->len) {
• 139 memcpy(&rxbuffer[total_bytes], q->payload, q->len);
• 140 total_bytes += q->len;
• 141 q = q->next;
• 142 }
• 143 memcpy(&rxbuffer[total_bytes], q->payload, q->len);
• 144 total_bytes += q->len;
• 145 }
• 146
• 147 tcp_recved(tpcb, p->tot_len);
• 148 pbuf_free(p);
• 149
• 150 return ERR_OK;
• 151 }
  

代码第126~145行是我们实现的功能。当接收到的数据长度为6且内容为“update”时，表明发送方发送完数据且准备更新QSPI，此时程序将开始更新QSPI标志位start_update_flag置1并向发送方发送“Start QSPI Update”信息。当接收到的数据长度为5且内容为“clear”时，表明发送方想清除先前发送的数据，此时将统计接收数据总字节数变量total_bytes置为0。对于除此之外接收到的信息，将写入到rxbuffer中，rxbuffer是一个大小为MAX_FLASH_LEN的数组，用于存放发送方发送的BOOT.bin文件数据。
这里涉及到一个重要的结构体，数据包结构体pbuf，其定义如下：

• struct pbuf {
• struct pbuf *next;
• void *payload;
• u16_t tot_len;
• u16_t len;
• u8_t type;
• u8_t flags;
• u16_t ref;
• };
  

next指针指向下一个pbuf结构，因为实际发送或接收的数据包可能很大，而每个pbuf能够管理的数据有限，所以，存在需要多个pbuf结构才能完全描述一个数据包的情况。此时，所有描述同一个数据包的pbuf需要连接在一个链表上，称之为pbuf链表，这一点用next实现。
payload是数据指针，指向该pbuf管理的数据起始地址，这里，数据起始地址可以是紧跟在pbuf结构之后的RAM空间中，也可能处在ROM中的某个地址上，而决定这点的是当前pbuf的类型，即type字段的值。
len字段表示当前pbuf中的有效数据长度，而tot_len表示当前pbuf和其后所有pbuf的有效数据的总长度。显然，tot_len字段是len字段与pbuf链表中下一个pbuf的tot_len字段之和；pbuf链表中第一个pbuf的tot len字段表示整个数据包的长度，而最后一个pbuf的tot_len字段必同len字段相等（只有在很特殊的情况下，才可能存在一条pbuf链表上保存多个数据包的情况）。
type字段表示pbuf的类型。
flags字段在源代码中并未被使用到，在初始化一个pbuf的时候，该字段的值通常被设为0，而在其他地方也未使用到该字段。
最后ref字段表示该pbuf被引用的次数。引用表示有其他指针指向当前pbuf，这里的指针可以是其他pbuf的next指针，也可以是其他任何形式的指针。初始化一个pbuf的时候，ref字段值被设置为1（因为该pbuf的地址一定会被返回给一个指针变量）。

• 70 //将接收到的BOOT.bin文件写入到QSPI中
• 71 int transfer_data()
• 72 {
• 73 char msg[60];
• 74 if (start_update_flag) {
• 75 xil_printf("Start QSPI Update!rn");
• 76 xil_printf("file size of BOOT.bin is %lu Bytesrn", total_bytes);
• 77 sprintf(msg, "file size of BOOT.bin is %lu Bytesrn",total_bytes);
• 78 sent_msg(msg);
• 79 if (qspi_update(total_bytes, rxbuffer) != XST_SUCCESS){
• 80 sent_msg("Update Qspi Error!rn");
• 81 xil_printf("Update Qspi Error!rn");
• 82 }
• 83 else
• 84 total_bytes = 0;
• 85 }
• 86
• 87 start_update_flag = 0;
• 88
• 89 return 0;
• 90 }
  

在《LWIP echo server》实验的echo.c文件中我们并没有用上transfer_data()函数，此处我们将transfer_data()函数用做更新QSPI的起始函数。当发送方发送“update”更新命令时，程序将开始更新标志start_update_flag置1，从而使transfer_data()函数得以调用qspi_update()函数更新QSPI。transfer_data()函数在main函数的while(1)循环中被调用。
5-11 lwip设置
为了提高数据传送的效率，我们对lwip进行相应设置。右键点击bsp工程lwip_server_bsp，在弹出的菜单中选择“Board Support Package Settings”，如下图所示：

图 36.4.3 打开BSP设置

在打开的界面中，点击standalone下的lwip202，设置右侧界面的选项。主要设置的选项如下：
设置lwip_memory_options选项。将mem_size设置为524288，增加可得到的总的堆空间；将memp_n_pbuf设置为1024，增加pbuf数；将memp_n_tcp_seg设置为1024，提高同时排队的TCP段数。如下图所示。

图 36.4.4 设置lwip_memory_options选项

设置pbuf_options选项。将pbuf_pool_size为pbuf池中的缓冲区数量。对于高性能系统，可以考虑将pbuf池大小增加到一个较高的值，此处设为16384，如下图所示。

图 36.4.5 设置pbuf_options选项

设置tcp_options选项，将tcp_snd_buf和tcp_wnd设为65535，增大tcp发送缓冲空间和窗口大小，如下图所示：


图 36.4.6 设置tcp_options选项

设置temac_adapter_options选项，将n_rx_descriptors 和n_tx_descriptors设置为512，以提高系统性能，如下图所示

图 36.4.7 设置temac_adapter_options选项

其余选项保持默认即可，无需修改。
36.5下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将USB UART接口与电脑连接，用于串口通信。使用网线一端连接领航者开发板的以太网接口，另一端与电脑或路由器连接。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
现在进入最后一步。
step6：板级验证
6-1 在SDK软件的下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号连接串口。
6-2 下载程序。下载完成后，可以看到串口打印的结果如下：

图 36.5.1 显示打印结果

如果接到路由器，因为有DHCP服务器，可自动获取IP 给开发板；如果没有DHCP 服务器，则当领航者开发板DHCP超时时使用默认IP 地址：192.168.1.10，端口号为设置的6789。图 36.5.1中红框圈起来的，表示QSPI初始化成功。
6-3 远程更新QSPI
打开网络调试助手，在网络调试助手发送区设置里选择“启用文件数据源”，选择需要发送的BOOT.bin 文件，这里我们选择《程序固化实验》生成的BOOT.bin 文件，然后点击发送，如下图所示：

图 36.5.2 加载BOOT.bin 文件

传输完成后，输入更新QSPI命令“update”，如下图所示：

图 36.5.3 输入更新QSPI命令“update”

输入更新QSPI命令“update”后，启动QSPI更新，更新信息实时通过网络传送回发送方，显示在网络调试助手中，如下图所示：

图 36.5.4 实时反馈的更新进度信息

通过传送回的文件大小，可以了解到传送过程中有没有丢包。更新进度信息中的Elapsed time表明每个操作（擦除、写入、校验）所花费的时间。
此时，接收方也会通过串口实时输出更新信息，如下图所示：

图 36.5.5 接收方通过串口实时输出更新信息

校验成功后，关闭电源开关。将领航者核心板上的启动模式开关左边拨到上面（置为1），右边拨到下面（置为0），即设置为由QSPI Flash启动，然后再次打开电源开关。
电源开关打开后，核心板上PL配置完成的指示灯点亮。然后每次按下底板上PL_KEY0，可以改变核心板上LED2的显示状态，说明远程更新QSPI成功，本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。