Xilinx FPGA的MultiBoot功能介绍和实现

本文主要包含MultiBoot的功能简介、流程介绍和工程实现几个部分的讲解。

我们先从它的功能介绍讲起来；MultiBoot功能是大部分Xilinx FPGA可以实现的固有特性；其主要优点如下所示：

1、我们可以把多个bitstream存储在配置Flash中，通过MultiBoot功能来实现多个bitstream之间的动态切换，从而达到使用FPGA来实现多种任务；

2、在一个工程里面实现多个功能模块，而每个功能模块不需要同时运行的情况，可以通过MultiBoot功能使用相对小规模的FPGA来实现其功能，从而提高性价比；

3、MultiBoot和Fallback可以支持实现FPGA远程在线升级，当升级bit有错误可以触发Fallback来返回到Golden Image去正常运行。

Golden Image里面正常会包含FPGA实现的基本功能，例如外设配置和初始化、远程升级等等客户需要的基本功能；如果Golden Image损坏的情况下，FPGA是无法工作的，需要返回工厂重新手动烧写bit文件到Flash中。

Golden Image设计要求主要包含下面几点：

1、IPROG(Internal program) command在Golden Image里面可以通过设置bitstream setting里面的next configuration address (BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR)，或者在HDL代码使用ICAPE3原语来设定加载地址值；通过设置BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_REBOOTDISABLE来把

IPROG command关掉，在这种情况下上电后会直接去加载Golden Image；

2、跳转地址寄存器WBSTAR(warm boot start address)可以在bitstream或者ICAP里面来设定；

3、MultiBoot Image必须存储在WBSTAR设置的Flash地址位置；

4、Watchdog timer包含configuration monitor和user logic monitor两种模式；在配置模式下面，Timer times out情况下，配置电路会去加载fallback bitstream。Watchdog Timer可以在bitstream options里面使能。

Golden Image是从Flash中的0地址开始存储；其帧头会包括WBSTAR（next_config_addr）寄存器里面指定的upper address space等信息。FPGA器件上电后会从0地址开始加载Golden Image后，会根据里面的设定来决定加载Golden Image还是直接跳转到MultiBoot Image存储地址去执行MultiBoot Image；当MultiBoot Image加载时候遇到错误，Fallback电路会触发去重新从0地址去加载Golden Image。其流程如图所示：

MultiBootImage是从设定好的upper address space去加载运行；如果加载出现问题，Fallback电路会去加载Golden Image。我们可以在Golden Image里面去修复Multiboot Image里面的错误等等问题。所以说MultiBoot Image里面运行的就是我们要实现的具体业务功能,可以是多个Multiboot Image。

Golden Image设计要求主要包含下面几点：

1、WBSTAR里面的值要指向MultiBoot存储位置；

2、Watchdog Timer功能要bitstream options里面使能；

3、代码里面可以通过IPROG命令去运行ICAPE3来跳转想要运行其他的MultiBoot Image。

MultiBoot加载流程如图所示：

在配置过程中遇到IDCODE error、CRC error、Watchdog timer timeout error、BPI address wraparound error情况会触发fallback。Fallback功能可以通过使能bitstream.config.configfallback enable里面的ConfigFallback选项来实现。当fallback运行时，Watchdog Timer\IPROG是disable的；另外当fallback重新配置FPGA出错情况下，配置电路会停止工作同时会把INIT_B\Done保持为低电平。

MultiBoot功能可以通过设置下面bitstream里面的参数来实现。这些参数可以通过Tcl console或者写入到XDC文件里面来实现其功能。

在前面介绍其功能作用和含义等等后，下面我们开始工程实现。

本人使用Vivado版本为2020.2；硬件基于米联客设计的KU040板卡。先建立Golden Image的工程，里面包括HDL文件和XDC约束。

Golden Image的工程里面代码主要是把led1灯点亮。XDC里面包括IO约束信息等等，其中0x040000是Multiboot Image存放Flash里面的物理地址。

Multiboot Image led2的工程里面代码主要是把led1灯点亮。XDC里面包括IO约束和配置约束信息等等，可以看到是和Golden Image工程里面约束是有差异的。

在工程建立完成后开始合并bit文件并烧入到板卡里面：

1、使用下面tcl去把两个bit文件合为一个mcs文件；

2、通过Hardware Manager去烧入到板卡的Flash中；
3、烧写完成后选择Boot from Configuration Memory Devive去加载FPGA。
4、在FPGA加载后可以看到板卡上面LED2灯点亮。

5、在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能；由于加载没有错误，目前运行的是Multiboot程序。CONFIG_SATUS里面可以看到DON_PIN拉高。

下面我们尝试把multiboot image里面的IDCODE修改掉，人为的造成错误来验证板卡是否会跳转到Golden Image去执行。
1、使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打开后，搜索到Update.bit里面的KU040的IDCODE3822093,并把它修改为0；重新生成ku_multiboot_spix4 _id.mcs文件烧入到FPGA.

2、按照前面流程合成bit文件后烧入到Flash中并上电；
3、在FPGA加载后可以看到板卡上面LED1灯点亮；证明Fallback功能生效，当Multiboot Image损坏后可以安全加载Golden Image。

4、在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能，ID_ERROR拉高；这时候Multiboot Image加载遇到ID错误，FPGA返回到Golden Image去运行。

我们可以再尝试把multiboot image其他部分破坏掉导致CRC出错来验证功能。

1、使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打开后，在Update.bit里面做如下修改来验证CRC错误情况。

2、烧入到板卡上电后；由于multiboot image里面有CRC错误，所以板卡还是返回到Golden Image去运行。

除了前面我们在bitstream里面去实现Multiboot功能，我们还可以在代码里面嵌入IPROG的命令来实现Image的跳转功能。

代码里面使用IPROG功能的流程如下图所示：

我们可以在点亮LED2的那个工程来做相关修改：

1、我们在点LED2灯的MultiBoot Image LED2工程里面加入ICAPE3代码；

2、根据前面命令流程图在代码里面实现其功能；其中Warm Boot Start Address要跟bit文件在Flash里面位置对应起来，不然跳转后会找不到对应的image导致失败。

3、建立点亮MultiBoot Image LED3工程来配合前面IPROG命令功能；这样可以通过MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令在FPGA不断电的情况下实时把切换MultiBoot Image LED3到工程来点亮LED3。

4、使用下面tcl去把两个bit文件合为一个mcs文件；

5、烧写完成后选择Boot from Configuration Memory Devive去加载FPGA，然后通过外置按键来执行MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令去实现跳转。

审核编辑：刘清