以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

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

在 FPGA 設計中，一個常見但略顯繁瑣的環節是：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，傳統的編程方式可能需要額外硬件或較復雜流程。

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

項目簡介

名稱：TinyFPGA-Bootloader

開源地址：GitHub（由 TinyFPGA 組織維護）

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

許可證：Apache-2.0

功能：通過 USB 虛擬串口（USB CDC）將主機側的命令發送至 FPGA 內部的 bootloader，再由 bootloader 內部橋接至 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。

板卡需有產生穩定 48 MHz 時鐘的振蕩器 + PLL。

FPGA 配置需來源于外部 SPI Flash。

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

建議支持多鏡像啟動（bootloader + 用戶鏡像）結構。

核心特點

● 無需額外 USB 轉 SPI 芯片

由于 bootloader 完全在 FPGA 內部邏輯實現，板卡可以省去專用 USB 編程芯片，從而降低成本、簡化硬件設計。

● 使用熟悉的串口方式編程

主機將 FPGA 識別為“虛擬串口設備”，用戶通過簡單的命令即可觸發 bootloader 功能，降低入門門檻。

● 支持用戶鏡像 + bootloader 鏡像分區

該設計支持多鏡像結構：bootloader 位于 SPI Flash 的專用區域，用戶配置位于另一鏡像區，bootloader 在啟動后可跳轉至用戶鏡像，或執行更新機制。

● 板卡元數據存儲機制

SPI Flash 的安全寄存器頁可用于存儲諸如板卡名稱、FPGA 型號、硬件版本、序列號、地址映射等元數據，便于通用軟件識別板卡并自動執行編程。元數據采用 JSON 格式，清晰易讀。

● SPI Flash 編程協議公開

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

例程

該項目中有幾款開發板的例程，核心還是自家制作的Tiny系列開發板：

當然也有針對Xilinx A7系列入門開發板例程：

打開后即可查看相關DEMO：

注意：Vivado版本2017

適用場景

低成本 FPGA板卡：希望減少外部編程芯片、簡化 USB 接口設計。

FPGA 教學 / 原型開發：快速將新鏡像下載至板卡，在實驗室或教學環境中尤為便利。

可編程系統 / 多鏡像方案：支持 bootloader + 用戶鏡像結構，適合需要遠程更新或 EEPROM 風格的機制。

硬件開發者希望精簡流程：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

在使用前請確認板卡 USB_P/N 信號設計正確、上拉電阻接入、“usb_pu”控制是否支持。

必須保證 FPGA 時鐘系統能產生準確穩定的 48 MHz 給 USB 棧，否則可能導致 USB 連接不可靠。

設計 SPI Flash 容量時建議考慮“多鏡像 + 用戶數據”結構，需要預留足夠空間。

雖然 bootloader 功能強大，但安全機制（如加密鏡像、鏡像簽名、保護區）需由用戶自行實現。

若需將該 bootloader 集成至大型 FPGA/SoC 項目，請評估板卡資源占用、邏輯干擾和時序影響。

總結

TinyFPGA-Bootloader 是一個非常實用、工程友好、開源可信的解決方案，適合在 FPGA 板卡設計中快速實現 USB 引導加載功能。它不僅降低了硬件復雜性，也顯著簡化了鏡像下載、更新與板卡上板流程。這對于教學、原型開發、板卡小批量生產都是一個極佳選擇。

注意大bit流的下載時間~

倉庫地址

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