AMD FPGA的MicroBlaze固化過程詳解

一、簡介

MicroBlaze是AMD FPGA推出的一款32/64位軟核嵌入式處理器，其高度可配置，可滿足通信、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、以及消費(fèi)類各場景需求。MicroBlaze是AMD FPGA嵌入式產(chǎn)品的重要組成部件，具有多功能互聯(lián)系統(tǒng)，可支持各種嵌入式應(yīng)用。

MicroBlaze的易用性使得其開發(fā)如AMD其它嵌入式SoCFPGA一樣簡單。客戶在搭建含MicroBlaze IP的工程后，經(jīng)常遇到的問題是，如何將.bit文件與應(yīng)用程序.elf文件結(jié)合，固化到存儲器件中（一般指串型/并行FLASH）。下面將結(jié)合原理與固化過程，詳細(xì)描述此問題。

二、疑難理解

首先，要理解的一點(diǎn)是，AMD FPGA在配置了適當(dāng)?shù)膯幽Ｊ胶?，上電即會按該模式去加載配置文件。以7系列FPGA為例，假設(shè)設(shè)置模式引腳M[2:0]=3’b001，上電后FPGA會以MasterSPI方式嘗試從FLASH加載配置文件，其與工程是否含有MicroBlaze IP無關(guān)。其次，客戶經(jīng)常遇到的問題是，含MicroBlaze IP的工程中，需要考慮程序的運(yùn)行地址空間（涉及DDR MIG IP）；需要考慮應(yīng)用程序的加載（涉及AXI Quad SPI IP），在固化時某些選項(xiàng)配置錯誤，導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動。

三、固化過程詳解

思考一個問題，在含有MicroBlaze的設(shè)計(jì)中，DDR MIG IP和AXI Quad SPI IP必須同時存在嗎？帶著這個疑問，下面詳細(xì)講解MicroBlaze兩種應(yīng)用場景下的固化過程。演示過程以7系列FPGA器件，以vitisv2022.2版本工具，以SPI FLASH存儲器件為例，其它系列器件和工具版本類似。

場景一，MicroBlaze運(yùn)行簡單的應(yīng)用。如GPIO控制，IIC、UART等低速嵌入式總線應(yīng)

用，或者負(fù)責(zé)一些復(fù)雜IP和外圍IC的初始化輔助性工作。此時，F(xiàn)PGA固化固件組成形式如下圖所示。

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在這個場景下，vivado生成的fpga.bit文件和vitis生成的應(yīng)用程序app.elf文件，合并為download.bit文件，燒錄到FLASH的起始地址0x0中。此設(shè)計(jì)中，不需要借助AXI Quad SPI IP的應(yīng)用搬運(yùn)能力，對是否含有DDR MIG IP也無要求。下面展示該固化流程：

為增加迷惑性，設(shè)計(jì)中含有DDR MIG IP。vivado生成.bit文件后，導(dǎo)出.xsa文件，創(chuàng)建vitis軟件工程。應(yīng)用程序的ld腳本默認(rèn)Memory Region Mapping指向外部DDR。

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點(diǎn)擊Program Device菜單生成download.bit文件將出現(xiàn)address mapped error錯誤，無法生成download.bit文件。

注意：

需要選擇應(yīng)用程序生成的.elf文件(如圖示的hello.elf文件)，而不是vitis默認(rèn)的bootloader。

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此時需要修改工程ld腳本文件，將MemoryRegion Mapping設(shè)置為local bram，如下圖所示

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再次點(diǎn)擊Program Device菜單生成download.bit文件即可。由于一般情況下，為節(jié)省FPGA block ram資源，用于MicroBlaze的local bram并不會設(shè)置很大，可使用下圖所示優(yōu)化選項(xiàng)，減小固件的大小。

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生成download.bit文件后，JTAG模式下，燒錄固件到FLASH中，注意Offset項(xiàng)為0x0。

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燒錄過程log記錄：

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斷電，將啟動模式設(shè)置為Master SPI，系統(tǒng)啟動log如下：

上述展示了一個簡單的應(yīng)用程序的固件固化過程。

場景二，MicroBlaze運(yùn)行復(fù)雜的應(yīng)用。如輕量級的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧LwIP，加載嵌入式文件

系統(tǒng)等。此場景一般生成的固件達(dá)到MB級別，對內(nèi)存也有一定需求，需要借助DDR來運(yùn)行應(yīng)用程序。此時，F(xiàn)PGA固化固件組成形式如下圖所示

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在這個場景下，vivado生成的fpga.bit文件和vitis生成的應(yīng)用引導(dǎo)程序bootloader.elf文件，合并為download.bit文件，燒錄到FLASH的起始地址0x0中；復(fù)雜的應(yīng)用程序app.elf文件，燒錄到FLASH的指定offset地址中。

此設(shè)計(jì)中，必須借助AXI Quad SPI IP的應(yīng)用搬運(yùn)能力，復(fù)雜應(yīng)用程序一般對DDR也有要求，也即設(shè)計(jì)需要DDR MIG IP。下面展示該固化流程：

首先在vivado中，需要對AXI Quad SPI IP做正確的設(shè)置，選擇FLASH的型號，使能STARTUPPrimitive選項(xiàng)。

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然后創(chuàng)建bootloader引導(dǎo)工程，如下

vitis工程引導(dǎo)界面提示修改合適的應(yīng)用程序offset address。

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查看bootloader工程的ld腳本，確定bootloader工程的Memory Region Mapping指向?yàn)閘ocal bram。

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同時需要修改應(yīng)用程序在FLASH中的程序地址，根據(jù)FLASH的容量大小，選擇合適的偏移地址。這里修改為0x800000(起始地址偏移8MB空間)。

點(diǎn)擊Program Device菜單生成download.bit文件，注意選擇的是bootloader.elf文件。

備注：

vitis IDE中，此菜單項(xiàng)包含Generate和Program選項(xiàng)，一般JTAG未連接板卡時選擇Generate選項(xiàng)；連接JTAG在線調(diào)試時，選擇Program。但是無論是否連接JTAG，兩個選項(xiàng)都能生成download.bit文件。

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將生成的download.bit文件燒錄到FLASH的0x0地址中。

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斷電，將啟動模式設(shè)置為Master SPI ，可驗(yàn)證bootloader是否燒錄成功，其啟動log如上。

log顯示bootloader將從00800000地址中加載應(yīng)用程序固件，證明bootloader燒錄成功。

接下來創(chuàng)建應(yīng)用工程，應(yīng)用工程較復(fù)雜，所需運(yùn)行內(nèi)存較大，應(yīng)用工程的ld腳本文件Memory Region Mapping指向外部DDR。

點(diǎn)擊Program Flash Memory菜單，將應(yīng)用程序hello.elf燒錄到FLASH中，注意Offset項(xiàng)為之前bootloader工程設(shè)置的0x800000，且需要勾選SREC轉(zhuǎn)換選項(xiàng)。

燒錄過程輸出log記錄。

斷電，將啟動模式設(shè)置為Master SPI，系統(tǒng)啟動log如下：

上述演示了一個稍復(fù)雜的應(yīng)用程序的固件固化過程。

四、總結(jié)與拓展

1. 通過燒錄過程可發(fā)現(xiàn)，場景二的bootloader引導(dǎo)應(yīng)用程序即相當(dāng)于場景一的用戶程序；

2. 場景二的系統(tǒng)啟動速度相對場景一較慢，AMD FPGA提供了一種加速方法，詳細(xì)參考

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

3. 從2019.2版本工具開始，F(xiàn)LASH的驅(qū)動程序發(fā)生了變更，詳細(xì)參考

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

4. 從SDK到Vitis，上述固化過程原理不變，但一些菜單選項(xiàng)細(xì)節(jié)稍有不同；

5. 從UltraScale系列開始支持的SPIx8模式，細(xì)節(jié)上有一些區(qū)別，詳細(xì)參考官方手冊UG570。

審核編輯：劉清