以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

TinyFPGA-Bootloader：FPGA 上的開源 USB 引導(dǎo)加載器解決方案

在 FPGA 設(shè)計(jì)中，一個(gè)常見但略顯繁瑣的環(huán)節(jié)是：如何方便地將新的比特流加載到 FPGA。尤其是在沒有專用 USB-JTAG/編程芯片或者在低成本板卡中，傳統(tǒng)的編程方式可能需要額外硬件或較復(fù)雜流程。

而 TinyFPGA?Bootloader 項(xiàng)目正是為了解決這個(gè)痛點(diǎn)——它是一個(gè) 開源的 USB 引導(dǎo)加載器（bootloader）IP，可直接在 FPGA 的可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)，從而以 USB 虛擬串口的形式向 SPI Flash 編程上傳比特流。

項(xiàng)目簡介

名稱：TinyFPGA-Bootloader

開源地址：GitHub（由 TinyFPGA 組織維護(hù)）

https://github.com/tinyfpga/TinyFPGA-Bootloader

許可證：Apache-2.0

功能：通過 USB 虛擬串口（USB CDC）將主機(jī)側(cè)的命令發(fā)送至 FPGA 內(nèi)部的 bootloader，再由 bootloader 內(nèi)部橋接至 SPI Flash，從而完成 FPGA 配置或用戶鏡像加載。

硬件需求示例：

FPGA 板卡需具備 USB_P、USB_N 3.3 V 信號(hào)。

板卡需有產(chǎn)生穩(wěn)定 48 MHz 時(shí)鐘的振蕩器 + PLL。

FPGA 配置需來源于外部 SPI Flash。

USB_P 信號(hào)連接上拉電阻（1.5 kΩ）并建議通過 usb_pu 信號(hào)控制。

建議支持多鏡像啟動(dòng)（bootloader + 用戶鏡像）結(jié)構(gòu)。

核心特點(diǎn)

● 無需額外 USB 轉(zhuǎn) SPI 芯片

由于 bootloader 完全在 FPGA 內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，板卡可以省去專用 USB 編程芯片，從而降低成本、簡化硬件設(shè)計(jì)。

● 使用熟悉的串口方式編程

主機(jī)將 FPGA 識(shí)別為“虛擬串口設(shè)備”，用戶通過簡單的命令即可觸發(fā) bootloader 功能，降低入門門檻。

● 支持用戶鏡像 + bootloader 鏡像分區(qū)

該設(shè)計(jì)支持多鏡像結(jié)構(gòu)：bootloader 位于 SPI Flash 的專用區(qū)域，用戶配置位于另一鏡像區(qū)，bootloader 在啟動(dòng)后可跳轉(zhuǎn)至用戶鏡像，或執(zhí)行更新機(jī)制。

● 板卡元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制

SPI Flash 的安全寄存器頁可用于存儲(chǔ)諸如板卡名稱、FPGA 型號(hào)、硬件版本、序列號(hào)、地址映射等元數(shù)據(jù)，便于通用軟件識(shí)別板卡并自動(dòng)執(zhí)行編程。元數(shù)據(jù)采用 JSON 格式，清晰易讀。

● SPI Flash 編程協(xié)議公開

bootloader 支持通過 “Access SPI” 命令在 USB 虛擬串口上執(zhí)行任意 SPI Flash 訪問操作（寫、讀、擦除等）。設(shè)計(jì)者可以查看 README 文檔中的完整協(xié)議描述。

例程

該項(xiàng)目中有幾款開發(fā)板的例程，核心還是自家制作的Tiny系列開發(fā)板：

當(dāng)然也有針對(duì)Xilinx A7系列入門開發(fā)板例程：

打開后即可查看相關(guān)DEMO：

注意：Vivado版本2017

適用場(chǎng)景

低成本 FPGA板卡：希望減少外部編程芯片、簡化 USB 接口設(shè)計(jì)。

FPGA 教學(xué) / 原型開發(fā)：快速將新鏡像下載至板卡，在實(shí)驗(yàn)室或教學(xué)環(huán)境中尤為便利。

可編程系統(tǒng) / 多鏡像方案：支持 bootloader + 用戶鏡像結(jié)構(gòu)，適合需要遠(yuǎn)程更新或 EEPROM 風(fēng)格的機(jī)制。

硬件開發(fā)者希望精簡流程：將編程流程簡化為“插 USB → 虛擬串口 → 下載鏡像”，提升工程效率。

使用建議 &注意事項(xiàng)

在使用前請(qǐng)確認(rèn)板卡 USB_P/N 信號(hào)設(shè)計(jì)正確、上拉電阻接入、“usb_pu”控制是否支持。

必須保證 FPGA 時(shí)鐘系統(tǒng)能產(chǎn)生準(zhǔn)確穩(wěn)定的 48 MHz 給 USB 棧，否則可能導(dǎo)致 USB 連接不可靠。

設(shè)計(jì) SPI Flash 容量時(shí)建議考慮“多鏡像 + 用戶數(shù)據(jù)”結(jié)構(gòu)，需要預(yù)留足夠空間。

雖然 bootloader 功能強(qiáng)大，但安全機(jī)制（如加密鏡像、鏡像簽名、保護(hù)區(qū)）需由用戶自行實(shí)現(xiàn)。

若需將該 bootloader 集成至大型 FPGA/SoC 項(xiàng)目，請(qǐng)?jiān)u估板卡資源占用、邏輯干擾和時(shí)序影響。

總結(jié)

TinyFPGA-Bootloader 是一個(gè)非常實(shí)用、工程友好、開源可信的解決方案，適合在 FPGA 板卡設(shè)計(jì)中快速實(shí)現(xiàn) USB 引導(dǎo)加載功能。它不僅降低了硬件復(fù)雜性，也顯著簡化了鏡像下載、更新與板卡上板流程。這對(duì)于教學(xué)、原型開發(fā)、板卡小批量生產(chǎn)都是一個(gè)極佳選擇。

注意大bit流的下載時(shí)間~

倉庫地址

https://github.com/tinyfpga/TinyFPGA-Bootloader