這也是《FPGA實現(xiàn)串口升級及MultiBoot》系列中的一篇文章，作為一個專題單獨出來說明。

本篇文章分為三個主題：固化、啟動和MultiBoot實現(xiàn)。

固化分為SPI和BPI FLASH兩種情況；啟動分為SREC解析及加快啟動模式的ELF直讀；最后就是MultiBoot實現(xiàn)的時候應(yīng)該注意什么。

固化

軟核的固化和外部FLASH及應(yīng)用程序大小有很大關(guān)系。小應(yīng)用程序，使用BRAM即可運行，固化的時候和邏輯一起固化即可運行，這時候不管外部是什么類型FLASH，和邏輯固化一樣。大應(yīng)用程序，需要用到外部DDR，就需要兩個啟動程序，一個小的Bootloader，和邏輯一起啟動，起來后從外部FLASH讀取相應(yīng)的應(yīng)用程序放到DDR里運行，這時候就要根據(jù)不同的FLASH，設(shè)計相應(yīng)的讀取邏輯及應(yīng)用。下面我們根據(jù)不同的FLASH類型進行相應(yīng)的說明。

SPI FLASH

小應(yīng)用程序

小應(yīng)用程序，比如串口通信，IIC、SPI等配置通信，不占用多少STACK_SIZE和HEAP_SIZE，用內(nèi)部BRAM就可運行，這時候?qū)?yīng)用程序的LD設(shè)置為運行到BRAM即可，生成elf后就可以將其和邏輯的BIT融合在一起生成新的BIT，正常生成MCS即可燒寫。

elf和bit融合成新的BIT，有兩種方式，下面詳細介紹：

調(diào)試階段

調(diào)試階段通過Vitis或者SDK一步即可生成新的BIT：

即在vitis工作目錄-->應(yīng)用程序目錄-->_ide-->bitstream-->download.bit

該bit就是融合后的BIT，接下來可以使用Vitis/SDK或者Vivado進行下載。

穩(wěn)定階段

應(yīng)用程序一般比較簡單，所以調(diào)試穩(wěn)定后，就可以將elf交給邏輯端，讓他們繼續(xù)折騰。

Vivado中在生成bit前，通過下面步驟將elf和軟核關(guān)聯(lián)起來，后面Vivado生成bit后，就是包含了軟核程序的BIT，繼續(xù)后續(xù)的固化工作即可。

大應(yīng)用程序

大應(yīng)用程序就會復(fù)雜很多，主要是建立軟核讀取外部FLASH的通道。

大的應(yīng)用程序需要運行到SDRAM中，節(jié)省內(nèi)部BRAM，這里的“大”并不是我們說的elf文件大，而是需要的運行空間大。

其實可以完全不需要內(nèi)部BRAM也可以運行大應(yīng)用程序程序，不過制作過程比較復(fù)雜，我們這次還是需要一點內(nèi)部BRAM啟動bootloader。

整個流程框圖如下：

首先這種方式需要三個文件：1、FPGA的bit文件（需要包含F(xiàn)LASH的讀寫控制器）；2、bootloader 生成的elf文件；3、大應(yīng)用應(yīng)用程序的ELF文件。

這里要用到比較重要的IP-axi_quad_spi（可以自己按照需求寫IP），將IP按照下面設(shè)置進行設(shè)置：

主要是使能STARTUP原語。

PS:7系列的在IP內(nèi)部使能STARTUP即可，對于U+系列由于FLASH的IO位于BANK0，需要在頂層再使用STARTUP3原語進行IO引出（IP內(nèi)部雖然也使用了原語，但是我調(diào)試的時候只有在頂層添加STARTUP3原語才能進行通信，不清楚是BUG還是沒設(shè)置好，按照官方說明使用方式也是要在頂層再添加原語）。

邏輯端添加上訴IP即可，接下來是應(yīng)用程序設(shè)計。

在SDK或者Vitis中添加下面BootLoader程序：

接下來要修改第一個地方：

就是這個起始地址，其中0x44A00000就是Vivado中IP的基地址，0x80000是從FLASH讀取的地址，即應(yīng)用存放在FLASH中的地址，該地址要和生成MCS時候地址相匹配。

第二個需要注意的地方就是BootLoader要放到BRAM里運行，查看以下LD：

這樣就可以和上面小應(yīng)用程序一樣，隨著邏輯端一起啟動。

接下來就是固化，固化也是分為兩個階段。

調(diào)試階段

調(diào)試階段首先將大應(yīng)用程序放到FLASH相應(yīng)的偏移地址上，通過以下工具可以直接燒寫：

這里先選擇大應(yīng)用程序生成的elf，然后選擇燒寫的偏移地址（按照BootLoader里設(shè)置的偏移地址進行設(shè)置），然后選擇對應(yīng)的FLASH，最后一定要勾選Convert ELF to bootloadable SREC format and program，這是目前官方驅(qū)動程序能讀取的二進制結(jié)構(gòu)-SREC。

關(guān)于怎么減少啟動時間我們后面會單獨討論。

注意點1：修改驅(qū)動

如果不能讀取FLASH，那么需要修改驅(qū)動文件。Board support Package setting，修改xilisf，設(shè)置serial_flash_family（根據(jù)FLASH廠家修改）serial_flash_interface根據(jù)需求修改。

注意點2：讀取超時

增加等待flash初始化時間：

原位置：

修改

/* *InitializetheSerialFlashLibrary. */ volatileintwait; do { Status=XIsf_Initialize(&Isf,&Spi,ISF_SPI_SELECT,IsfWriteBuffer); if(Status!=XST_SUCCESS){ xil_printf("XIsf_initializefailed!Status=%d ",Status); for(wait=0;wait

注意點3：讀取速度

某些國產(chǎn)FLASH的速度遠低于進口FALSH，所以注意看下數(shù)據(jù)手冊，控制好ext_spi_clk，同時下圖還有一個分頻系數(shù)：

穩(wěn)定階段

如果BootLoader能夠引到啟動后，可以將BootLoader的ELF添加到Vivado工程中，這樣在大應(yīng)用程序需要重建后無需每次都建立BootLoader工程進行調(diào)試。同時axi_quad_spi不更改（基地址不變）情況下，BootLoader都不需要修改。

BPI FLASH

小應(yīng)用程序

小應(yīng)用程序和SPI的一樣，不隨著外圍FLASH不同而改變，就不贅述了。

大應(yīng)用程序

大應(yīng)用程序就更復(fù)雜一些，也是需要建立軟核讀取外部FLASH的通道。

接下來我們按照另一個思路講解BPI FLASH大應(yīng)用程序的固化。上面我們說過大應(yīng)用程序的固化需要三個文件：1、FPGA的bit文件（需要包含F(xiàn)LASH的讀寫控制器）；2、bootloader 生成的elf文件；3、大應(yīng)用程序的ELF文件。我們按照順序講解每個文件生成需要的必要條件：

FPGA的bit文件

FPGA設(shè)計中需要增加對FLASH控制，對于BPI FLASH，官方推薦AXI-EMC IP，通過AXI-MEM映射外部FLASH，這個IP可以控制常見的BPI FLASH（可配置參數(shù)很低），對于不能控制的FLASH，需要自己寫控制器+控制驅(qū)動。

AXI_EMC IP 概述

AXI_EMC是FPGA的一個ip core，axi 外部存儲控制器，支持sram，nor flash ，psram，cellularRAM，IP核使用AXI4接口，支持32bit和64bit的數(shù)據(jù)位寬，支持以下memory type，即：

異步SRAM

同步SRAM

串行flash or并行nor flash

偽靜態(tài)隨機存儲器

每個emc控制器支持掛接4個存儲設(shè)備

來源：pg100-figure1-1

信號連接

我們這次使用的BPI FLASH為S29GL01GSXXXX，可以通過AXI-EMC 控制，具體在FPGA中的連線如下：

主要將這個IP連到MB上，外接引腳比較重要，因為IP要兼容的東西比較多，所以引出來的引腳比較多，對于不同的外設(shè)需要連接不同的引腳，對于本次設(shè)計的引腳連接如下表所示：

圖中紅線部分需根據(jù)表進行連接

IP界面時序參數(shù)配置

（1）第一頁

默認配置即可，如果使用比較大的內(nèi)存則可選總線位寬為64位，我們控制FLASH，默認32位即可：

這里注意以下，如果使用U+系列，這個IP會在下面位置有個使能STARTUP3原語的選項：

使能后和SPI FLASH一樣，需要在頂層添加STARTUP原語引出BPI的DQ0~DQ3。這里說下原因，因為7系列FPGA的DQ0~DQ3是在BANK14，而U+是在BANK0上，同時官方IP可能有BUG，導(dǎo)致需要2次使用原語。

（2）第二頁

這一頁的設(shè)置是核心，需要根據(jù)FLASH數(shù)據(jù)手冊進行配置：

Memory Type

支持Sync SRAM, Async SRAM, Linear Flash, Page Mode Flash, PSRAM, or Micron Flash

Data Width

Memory 數(shù)據(jù)位寬，也就是接的存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)位寬，支持8，16，32，64位位寬

Parity

可以設(shè)置為No parity，Odd Parity，or Even Parity，只有Memory Type為Sync SRAM時才能設(shè)置

Delay Mode

可以設(shè)置為Flow-Through model or Pipeline Model，只有Memory Type為Sync SRAM時才能設(shè)置

Read CE Low to Data Valid Period

根據(jù)描述，該參數(shù)在不同的memory type下含義不同，如果是flash，則和tELQV的值相等，這里以Page Mode Flash為例說明，基本上也就是片選拉低的時間，其他類型的存儲設(shè)備沒有驗證，暫不清楚，以flash型號為S29GL01GSXXX（容量大小：128Mbyte）為例，根據(jù)芯片手冊中的描述:

該芯片讀時序如下：

對該芯片來說，該參數(shù)值就是tCE，即100ns = 100000ps

Read Address Valid to Data Valid Period

這里的意思為讀地址在數(shù)據(jù)有效前的保持時間，不是片選保持的時間，對于S29GL01GSXX來說，就是tAVQV的值，和描述的一樣，即為100ns = 100000ps，如上圖所示。

Page Access Period

根據(jù)描述的含義，對于Page Mode Flash來說就是訪問一頁需要的時間，以S29GL01GSXX為例，也就是tPACC，為25ns，如下：

Read CE High to Data Bus HZ Period

該參數(shù)的含義是指片選（CE）從有效變?yōu)闊o效后，至少要保持多長時間，即從低變高后，要保持多長時間的高電平，以S29GL01GSXX為例，就是圖中的tDF也就是tEHQZ，為20ns

Read OE High to Data Bus HZ Period

和上邊參數(shù)一樣，指OE高電平保持的時間，也就是上圖中的tDF，為20ns

AXI Read Timing

根據(jù)AXI EMC IP核手冊的page47頁得知以上讀時序圖，結(jié)合“IP核參數(shù)默認值”查看

AXI Write Timing

根據(jù)AXI EMC IP核手冊的page47頁得知以上寫時序圖，結(jié)合“IP核參數(shù)默認值”查看

IP核參數(shù)默認值：

Write Cycle Period

根據(jù)描述，AXI EMC core根據(jù)該參數(shù)去保持CE為低的時間，但不是指CE保持的時間，以S29GL01GSXX為例，值等于tWC，即60ns，如下

Write Enable Minimum Pulse Width

該參數(shù)指片選（WE）保持的最小時間，以S29GL01GSXX為例，值等于tWP，即最小25ns

Write Phase Period

該參數(shù)表示兩個WE之間的最小間隔，以S29GL01GSXX為例，值等于tWPH，即最小20ns

Write WE High to Data Bus LZ Period

該參數(shù)表示在一個寫周期里，寫使能（WE）到數(shù)據(jù)總線低阻的時間，或者寫到讀的恢復(fù)時間（可能理解的不正確，關(guān)于此參數(shù)配置時請謹慎），以S29GL01GSXX為例，使用的默認值，即0ps。

Write Recovery Period for Flash Memory

這個參數(shù)應(yīng)該指的是數(shù)據(jù)寫完后，WE還需要保持多少個時鐘周期的時間，這里使用默認值，根據(jù)下圖，此參數(shù)小于等于twrr，具體多少不知道，個人理解大于等于tWPH應(yīng)該就可以了。

IP其他界面默認即可，地址分配界面將IP尋址空間大小設(shè)置成實際FLASH大小，如下：

編譯后導(dǎo)出bit到SDK或者Vitis，就可以制作BootLoader.

以上參數(shù)解釋，參考下面的博文：

https://blog.csdn.net/qq_33166886/article/details/112490916

這里要用到比較重要的IP-axi_quad_spi（可以自己按照需求寫IP），將IP按照下面設(shè)置進行設(shè)置：

BootLoader制作

打開sdk或者Vitis，新建一個SREC的工程。這個就是傳說中啟動文件。

其中1是用來制作BPI FALSH的啟動文件，2是用來制作SPI FLASH啟動文件的。

修改FLASH的鏡像地址。地址不是亂寫的。是根據(jù)你的mcs文件大小，文件大小在runs/imp/ 文件夾下的 prm 文件上有告知。后面接上的。然后生成文件。注意這個地址也是你后面真正運行的elf地址寫入。

也可以按照prm文件后續(xù)接上elf文件：

bootloader工程，注意選擇ld看鏈接表設(shè)定。不要把代碼和數(shù)據(jù)放在DDR上面。

然后編譯工程。生成elf文件。然后按照之前的方式將BootLoader elf和vivado生成的bit合成一個新的bit。

剩下的步驟和之前SPI FLASH一樣了，就不贅述了。

啟動

固化完成了，接下來就是啟動了。小應(yīng)用程序和FPGA啟動一起，所以就不說明了，重點介紹大應(yīng)用程序。

大應(yīng)用程序如果使用官方的BootLoader，在讀取大應(yīng)用到DDR中時，是讀取的SREC，那么為什么要讀取SREC，SREC文件有什么特點？我們接下來開始揭開面紗。

SREC文件

SREC文件是帶有程序的地址信息和數(shù)據(jù)校驗功能，所以在讀取SREC文件時是連讀連校驗并且要轉(zhuǎn)譯，所以在讀取SREC時候會很慢，好處就是可以避免很多因為文件錯誤導(dǎo)致功能異常。結(jié)構(gòu)如下：

SREC 格式文件由一系列ASCII文本記錄組成。這些記錄從左到右具有以下結(jié)構(gòu)：

a.Record type——2個字節(jié)ASCII字符，第一個字符為‘S’（ASCII 0x53），第二個字符為ASCII數(shù)字的‘0’~‘9’（ASCII 0x30 到 0x39）

b.Byte count——兩個十六進制數(shù)字（“00”至“FF”），表示記錄其余部分（地址 + 數(shù)據(jù) + 校驗和）后面的字節(jié)數(shù)（十六進制數(shù)字對）。此字段的最小值為 3（16 位地址字段加 1 個校驗和字節(jié)時為 2），最大值為 255（0xFF）。“00”/“01”/“02”為非法值。

c.Address——大端地址——4/6/8個16進制的ASCII數(shù)字，取決于Record type的類型

d.Data——數(shù)據(jù) ——2*n個16進制的ASCII數(shù)字（n字節(jié)數(shù)據(jù)）

e.Checksum ——2個16進制的ASCII數(shù)字，即字節(jié)數(shù)、地址和數(shù)據(jù)字段的兩個十六進制數(shù)字對所表示的值之和的補碼的最低有效字節(jié)。在C 編程語言中，總和通過以下方式轉(zhuǎn)換為校驗和：0xFF - (sum & 0xFF)

圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/SREC_(file_format)

ELF和SREC對比：

ELF轉(zhuǎn)換成SREC

如果使用官方的BootLoader，那么SREC格式是必不可少的，而SDK或者Vitis只能生成ELF文件，下面介紹幾種方式將ELF轉(zhuǎn)換成SREC。

方式一：通過XSCT Console

將elf轉(zhuǎn)換成SREC format，打開Xilinx—> XSCT Console。

通過cd 命令進入elf所在的目錄：

輸入：mb-objcopy -O srec app.elf app.srec

就會在ELF所在目錄生成SREC文件。

方式二：自動轉(zhuǎn)換

在應(yīng)用上右擊，屬性，打開屬性窗口。在圖中位置添加命令：

mb-objcopy -O srec {ProjName}.srec

這樣每次在APP編譯完成后就會將ELF自動轉(zhuǎn)換成SREC（在ELF目錄里）。

方式二：使用命令手動設(shè)置

使用下圖中兩個腳本，cd到elf文件位置后，使用mb-object命令完成轉(zhuǎn)換：

最后這種方式和方式一類似，好處就是可以使用Win下的腳本調(diào)用，然后生成一鍵腳本。

加快啟動

從上面的分析可知，在讀取SREC時候會進行很多無關(guān)操作，導(dǎo)致啟動時間大大增加，尤其是大應(yīng)用程序生成的ELF比較大（SREC也會比較大）的時候，這個時間肯定不能忍受的。

方式一：減少打印

在進行調(diào)試的時候，BootLoader會有讀取進程通過串口打印，這一操作方便調(diào)試的時候快速進行問題定位，完成調(diào)試的時候，可以將打印去掉，注釋掉下圖位置語句即可：

更改讀取方式

我們可以減少讀取過程中的轉(zhuǎn)譯和校驗等過程，直接引導(dǎo)搬運FLASH的elf文件至DDR，減少“中間商賺差價”的時間，可大大提高啟動速度，相關(guān)的工程可以參考下面的鏈接。

https://github.com/henrikbrixandersen/elf-bootloader?_ga=2.259888963.835186866.1691390458-2003547133.1691118205

在eb-config.h文件中更改實際用到的FLASH地址以及匹配FLASH信息，主要就是修改對應(yīng)FLASH的opration指令以及dummy cycle，可以根據(jù)你使用的FLASH類型查閱數(shù)據(jù)手冊。

MultiBoot實現(xiàn)注意點

在小應(yīng)用程序時候其實和純FPGA應(yīng)用一樣，沒什么大的區(qū)別，沒什么注意的。主要在大應(yīng)用程序：

大應(yīng)用程序主要包含上面幾個文件組成（根據(jù)自己需求可能有所不同）。考慮到升級過程中傳輸完成擦除FLASH后及突然斷電等特殊情況，所以需要考慮CRC error（突然斷電）、IDCODE error（升級包制作錯誤）、Watchdog timer time-out error（擦除FLASH后未升級、突然斷電）三種情況。

Golden區(qū)無需變動，主要在M區(qū)的程序，在升級APP時候面對上面的情況怎么操作？因為目前的MultiBoot機制只能在FPGA邏輯層進行操作，如果APP程序錯誤可能觸發(fā)不了回退機制。

這里提供一個思路，就是對M區(qū)APP增加CRC校驗，BootLoader在讀取APP的ELF或者SREC時如果CRC校驗錯誤，那么就破壞M區(qū)的FPGA程序（FLASH），讓FPGA程序啟動時候觸發(fā)四種錯誤的任何一種，就可以回退到Golden區(qū)再進行升級。

總結(jié)

總結(jié)就下面的一張圖了：

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