AMD FPGA中MicroBlaze的固化流程详解

一、 简介   

MicroBlaze是AMD FPGA推出的一款32/64位软核嵌入式处理器，其高度可配置，可满足通信、工业、医疗、汽车、以及消费类各场景需求。MicroBlaze是AMD FPGA嵌入式产品的重要组成部件，具有多功能互联系统，可支持各种嵌入式应用。

MicroBlaze的易用性使得其开发如AMD其它嵌入式SoC FPGA一样简单。客户在搭建含MicroBlaze IP的工程后，经常遇到的问题是，如何将.bit文件与应用程序.elf文件结合，固化到存储器件中（一般指串型/并行FLASH）。下面将结合原理与固化过程，详细描述此问题。

二、 疑难理解    首先，要理解的一点是，AMD FPGA在配置了适当的启动模式后，上电即会按该模式去加载配置文件。以7系列FPGA为例，假设设置模式引脚M[2:0]=3’b001，上电后FPGA会以Master SPI方式尝试从FLASH加载配置文件，其与工程是否含有MicroBlaze IP无关。其次，客户经常遇到的问题是，含MicroBlaze IP的工程中，需要考虑程序的运行地址空间（涉及DDR MIG IP）；需要考虑应用程序的加载（涉及AXI Quad SPI IP），在固化时某些选项配置错误，导致系统无法启动。

三、 固化过程详解     思考一个问题，在含有MicroBlaze的设计中，DDR MIG IP和AXI Quad SPI IP必须同时存在吗？带着这个疑问，下面详细讲解MicroBlaze两种应用场景下的固化过程。演示过程以7系列FPGA器件，以vitis v2022.2版本工具，以SPI FLASH存储器件为例，其它系列器件和工具版本类似。

场景一，MicroBlaze运行简单的应用。如GPIO控制，IIC、UART等低速嵌入式总线应用，或者负责一些复杂IP和外围IC的初始化辅助性工作。

此时，FPGA固化固件组成形式如下图所示。

在这个场景下，vivado生成的fpga.bit文件和vitis生成的应用程序app.elf文件，合并为download.bit文件，烧录到FLASH的起始地址0x0中。此设计中，不需要借助AXI Quad SPI IP的应用搬运能力，对是否含有DDR MIG IP也无要求。下面展示该固化流程：

为增加迷惑性，设计中含有DDR MIG IP。vivado生成.bit文件后，导出.xsa文件，创建vitis软件工程。应用程序的ld脚本默认Memory Region Mapping指向外部DDR。

点击Program Device菜单生成download.bit文件将出现address mapped error错误，无法生成download.bit文件。

注意：需要选择应用程序生成的.elf文件(如图示的hello.elf文件)，而不是vitis默认的bootloader。

此时需要修改工程ld脚本文件，将Memory Region Mapping设置为local bram，如下图所示：

再次点击Program Device菜单生成download.bit文件即可。由于一般情况下，为节省FPGA block ram资源，用于MicroBlaze的local bram并不会设置很大，可使用下图所示优化选项，减小固件的大小。

生成download.bit文件后，JTAG模式下，烧录固件到FLASH中，注意Offset项为0x0。

烧录过程log记录：

断电，将启动模式设置为Master SPI，系统启动log如下：

上述展示了一个简单的应用程序的固件固化过程。

场景二，MicroBlaze运行复杂的应用。如轻量级的网络协议栈LwIP，加载嵌入式文件系统等。此场景一般生成的固件达到MB级别，对内存也有一定需求，需要借助DDR来运行应用程序。

此时，FPGA固化固件组成形式如下图所示

在这个场景下，vivado生成的fpga.bit文件和vitis生成的应用引导程序bootloader.elf文件，合并为download.bit文件，烧录到FLASH的起始地址0x0中；复杂的应用程序app.elf文件，烧录到FLASH的指定offset地址中。此设计中，必须借助AXI Quad SPI IP的应用搬运能力，复杂应用程序一般对DDR也有要求，也即设计需要DDR MIG IP。下面展示该固化流程：

首先在vivado中，需要对AXI Quad SPI IP做正确的设置，选择FLASH的型号，使能STARTUP Primitive选项。

然后创建bootloader引导工程，如下

vitis工程引导界面提示修改合适的应用程序offset address。

查看bootloader工程的ld脚本，确定bootloader工程的Memory Region Mapping指向为local bram。

同时需要修改应用程序在FLASH中的程序地址，根据FLASH的容量大小，选择合适的偏移地址。这里修改为0x800000(起始地址偏移8MB空间)。

点击Program Device菜单生成download.bit文件，注意选择的是bootloader.elf文件。

备注： vitis IDE中，此菜单项包含Generate和Program选项，一般JTAG未连接板卡时选择Generate选项；连接JTAG在线调试时，选择Program。但是无论是否连接JTAG，两个选项都能生成download.bit文件。

将生成的download.bit文件烧录到FLASH的0x0地址中。

断电，将启动模式设置为Master SPI ，可验证bootloader是否烧录成功，其启动log如上。

log显示bootloader将从00800000地址中加载应用程序固件，证明bootloader烧录成功。 接下来创建应用工程，应用工程较复杂，所需运行内存较大，应用工程的ld脚本文件Memory Region Mapping指向外部DDR。

点击Program Flash Memory菜单，将应用程序hello.elf烧录到FLASH中，注意Offset项为之前bootloader工程设置的0x800000，且需要勾选SREC转换选项。

烧录过程输出log记录。

断电，将启动模式设置为Master SPI，系统启动log如下：

上述演示了一个稍复杂的应用程序的固件固化过程。

四、 总结与拓展    

A.通过烧录过程可发现，场景二的bootloader引导应用程序即相当于场景一的用户程序；

B.场景二的系统启动速度相对场景一较慢，AMD FPGA提供了一种加速方法，详细参考：

https://support.xilinx.com/s/article/75646?language=en_US

C.从2019.2版本工具开始，FLASH的驱动程序发生了变更，详细参考：

https://support.xilinx.com/s/article/73329?language=en_US

D. 从SDK到Vitis，上述固化过程原理不变，但一些菜单选项细节稍有不同；

E. 从UltraScale系列开始支持的SPIx8模式，细节上有一些区别，详细参考官方手册UG570。

审核编辑：黄飞