浅谈Xilinx Microblaze Bootloader实现

作者：Hello，Panda
一般而言，Xilinx Microblaze会被用来在系统中做一些控制类和简单接口的辅助性工作，比如运行IIC、SPI、UART之类的低速接口驱动，对FPGA逻辑功能模块初始化配置及做些辅助计算等等。类程序的代码量普遍不大，常常在十几KB到几时KB之间，因此对存储的需求通常也不是太高，使用FPGA内部RAM资源便已经够用。那么，当Microblaze需要运行文件系统、USB HCD、网络协议栈甚至是操作系统时，代码量可能会高达几MB甚至是几十MB的规模，此时程序就必须在外部存储器运行了。本文以将外部QSPI Flash中存储的镜像加载到外部DDR为例，讲一讲Microblaze Bootloader的实现方法。

1. Microblaze Bootloader
Microblaze的工作原理和所有的通用处理器一样，这里不用赘述。我们一般情况下会将.elf代码、FPGA bit文件和.imm RAM初始化文件合成一个download.bit文件烧写到外部Flash中去。这里.elf的可执行代码就变成了FPGA Block RAM的初始化值，复位释放后即可执行。想必聊到这里大家就已经明白Microblaze Bootloader该如何实现了：在有限空间的Block RAM里面执行一小段代码，负责初始化必要的外设并将Flash里面的其他代码搬运到外部存储器中执行。这种原理和所有的通用处理器是类似的，这里的Block RAM就相当于是ARM之类通用处理器的片上RAM（OCM）资源，执行的这一小段代码就相当于第一季BootLoader（FSBL）。

以下所有的示例都是在Xilinx XC7K325 FPGA上进行验证。开发环境为Vivado 2015.2。硬件平台包含一片256Mbit（32M字节）的Spansion QSPI Flash，一片海力士16bit位宽的容量为512MB的DDR3。

2.搭建FPGA硬件
要验证这个系统,必须要有①Microblaze②DDR Mig③Cache RAM④中断控制器⑤QSPI Flash IP核⑥总线相关的AXI Interconnect⑦串口输出调试信息等协同工作才行(工程顶层结构见附件)。

这里需要特别说明的是QSPI Flash的配置,如图1所示.AXI接口的XIP模式和Performace模式采用AXI Full接口,可以获得更高的带宽和方便使用DMA,这里使用最基本的AXI Lite接口。

图1 QSPI IP核参数配置

需要注意的地方有两点:
①ext_spi_clk:在QSPI模式下这个时钟的两分频就是给SPI Flash的访问时钟,因此这个时钟要根据QSPI Flash的参数设置到合理值;
②STARTUPE2原语:如果外部的Flash挂在FPGA的专用配置管脚上就要使能该原语，使用普通IO则不能使能。

3.创建Microblaze Bootloader
以下介绍如何在SDK中创建Microblaze Bootloader的方法。
第一步：创建基于SPI Flash的serc SPI Bootloader，如下图2所示。

图2 创建serc spi bootloader

第二步：修改xilisf库，serial_flash_family=5选择Spansion 系列QSPI Flash， serial_flash_interface=1选择AXI 接口，如图3所示。

图3 修改xilisf库参数

第三步：修改存储应用程序的Flash偏移量，如图4所示。

图4 修改存储应用程序的Flash偏移量

当前示例选用的FPGA bit文件约为10.5MB，因此偏移量选择12MB，需要根据实际FPGA容量进行调整。

第四步：确认serc spi bootloader链接脚本均在内部RAM空间，应用app工程的链接脚本都指向外部DDR。
到此为止serc spi bootloader工程创建完毕。

4. 烧写Flash
烧写Flash分成两个部分，一个是bit文件，一个是应用程序的serc文件。

4.1 烧写bit文件
烧写bit文件，第一步需要将fpga bit和serc spi bootloader的elf文件先合成，如图5所示，点击编程，默认合成的文件命名为download.bit。如果擅长使用命令行，也可以用updatemem命令手动生成。

图5 编程生成bit文件

第二步是烧写生成的download.bit文件到flash，这里不再多说，注意flash的偏移地址为0x00即可。

4.2 烧写应用程序serc
实际上应用程序烧进flash的是serc文件，该文件可以烧写到特殊的偏移位置。如图6所示，如果需要用其它工具烧写，也可使用命令mb-objcopy手动转换.elf文件为serc文件。

图6 烧写应用程序到特定偏移地址
需要特别注意的是，Bootloader会Check Flash的ID，因此需要确保将您的Flash芯片对应的ID添加到支持型号列表里（如果默认没有）。