淺談Xilinx Microblaze Bootloader實(shí)現(xiàn)

作者：Hello，Panda
一般而言，Xilinx Microblaze會(huì)被用來(lái)在系統(tǒng)中做一些控制類和簡(jiǎn)單接口的輔助性工作，比如運(yùn)行IIC、SPI、UART之類的低速接口驅(qū)動(dòng)，對(duì)FPGA邏輯功能模塊初始化配置及做些輔助計(jì)算等等。類程序的代碼量普遍不大，常常在十幾KB到幾時(shí)KB之間，因此對(duì)存儲(chǔ)的需求通常也不是太高，使用FPGA內(nèi)部RAM資源便已經(jīng)夠用。那么，當(dāng)Microblaze需要運(yùn)行文件系統(tǒng)、USB HCD、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧甚至是操作系統(tǒng)時(shí)，代碼量可能會(huì)高達(dá)幾MB甚至是幾十MB的規(guī)模，此時(shí)程序就必須在外部存儲(chǔ)器運(yùn)行了。本文以將外部QSPI Flash中存儲(chǔ)的鏡像加載到外部DDR為例，講一講Microblaze Bootloader的實(shí)現(xiàn)方法。

1. Microblaze Bootloader
Microblaze的工作原理和所有的通用處理器一樣，這里不用贅述。我們一般情況下會(huì)將.elf代碼、FPGA bit文件和.imm RAM初始化文件合成一個(gè)download.bit文件燒寫(xiě)到外部Flash中去。這里.elf的可執(zhí)行代碼就變成了FPGA Block RAM的初始化值，復(fù)位釋放后即可執(zhí)行。想必聊到這里大家就已經(jīng)明白Microblaze Bootloader該如何實(shí)現(xiàn)了：在有限空間的Block RAM里面執(zhí)行一小段代碼，負(fù)責(zé)初始化必要的外設(shè)并將Flash里面的其他代碼搬運(yùn)到外部存儲(chǔ)器中執(zhí)行。這種原理和所有的通用處理器是類似的，這里的Block RAM就相當(dāng)于是ARM之類通用處理器的片上RAM（OCM）資源，執(zhí)行的這一小段代碼就相當(dāng)于第一季BootLoader（FSBL）。

以下所有的示例都是在Xilinx XC7K325 FPGA上進(jìn)行驗(yàn)證。開(kāi)發(fā)環(huán)境為Vivado 2015.2。硬件平臺(tái)包含一片256Mbit（32M字節(jié)）的Spansion QSPI Flash，一片海力士16bit位寬的容量為512MB的DDR3。

2.搭建FPGA硬件
要驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng),必須要有①M(fèi)icroblaze②DDR Mig③Cache RAM④中斷控制器⑤QSPI Flash IP核⑥總線相關(guān)的AXI Interconnect⑦串口輸出調(diào)試信息等協(xié)同工作才行(工程頂層結(jié)構(gòu)見(jiàn)附件)。

這里需要特別說(shuō)明的是QSPI Flash的配置,如圖1所示.AXI接口的XIP模式和Performace模式采用AXI Full接口,可以獲得更高的帶寬和方便使用DMA,這里使用最基本的AXI Lite接口。

圖1 QSPI IP核參數(shù)配置

需要注意的地方有兩點(diǎn):
①ext_spi_clk:在QSPI模式下這個(gè)時(shí)鐘的兩分頻就是給SPI Flash的訪問(wèn)時(shí)鐘,因此這個(gè)時(shí)鐘要根據(jù)QSPI Flash的參數(shù)設(shè)置到合理值;
②STARTUPE2原語(yǔ):如果外部的Flash掛在FPGA的專用配置管腳上就要使能該原語(yǔ)，使用普通IO則不能使能。

3.創(chuàng)建Microblaze Bootloader
以下介紹如何在SDK中創(chuàng)建Microblaze Bootloader的方法。
第一步：創(chuàng)建基于SPI Flash的serc SPI Bootloader，如下圖2所示。

圖2 創(chuàng)建serc spi bootloader

第二步：修改xilisf庫(kù)，serial_flash_family=5選擇Spansion 系列QSPI Flash， serial_flash_interface=1選擇AXI 接口，如圖3所示。

圖3 修改xilisf庫(kù)參數(shù)

第三步：修改存儲(chǔ)應(yīng)用程序的Flash偏移量，如圖4所示。

圖4 修改存儲(chǔ)應(yīng)用程序的Flash偏移量

當(dāng)前示例選用的FPGA bit文件約為10.5MB，因此偏移量選擇12MB，需要根據(jù)實(shí)際FPGA容量進(jìn)行調(diào)整。

第四步：確認(rèn)serc spi bootloader鏈接腳本均在內(nèi)部RAM空間，應(yīng)用app工程的鏈接腳本都指向外部DDR。
到此為止serc spi bootloader工程創(chuàng)建完畢。

4. 燒寫(xiě)Flash
燒寫(xiě)Flash分成兩個(gè)部分，一個(gè)是bit文件，一個(gè)是應(yīng)用程序的serc文件。

4.1 燒寫(xiě)bit文件
燒寫(xiě)bit文件，第一步需要將fpga bit和serc spi bootloader的elf文件先合成，如圖5所示，點(diǎn)擊編程，默認(rèn)合成的文件命名為download.bit。如果擅長(zhǎng)使用命令行，也可以用updatemem命令手動(dòng)生成。

圖5 編程生成bit文件

第二步是燒寫(xiě)生成的download.bit文件到flash，這里不再多說(shuō)，注意flash的偏移地址為0x00即可。

4.2 燒寫(xiě)應(yīng)用程序serc
實(shí)際上應(yīng)用程序燒進(jìn)flash的是serc文件，該文件可以燒寫(xiě)到特殊的偏移位置。如圖6所示，如果需要用其它工具燒寫(xiě)，也可使用命令mb-objcopy手動(dòng)轉(zhuǎn)換.elf文件為serc文件。

圖6 燒寫(xiě)應(yīng)用程序到特定偏移地址
需要特別注意的是，Bootloader會(huì)Check Flash的ID，因此需要確保將您的Flash芯片對(duì)應(yīng)的ID添加到支持型號(hào)列表里（如果默認(rèn)沒(méi)有）。