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AMD FPGA的MicroBlaze固化过程详解

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AM…

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SoCFPGA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

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vitisv2022.2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。

wKgZomX7-fKALGqzAABN9-CYhNs392

在这个场景下,viv

o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。

wKgZomX7-fKALcFPAAGdl_WIPFQ083

点击Prog

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。

wKgZomX7-fOATD4SAAGLILMReoc598

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。

wKgZomX7-fOAUHVWAAFSeFtMbqI474

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

wKgZomX7-fOAFAAfAAJ2K6aQoHQ025

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。

wKgZomX7-fOAJskYAANEChf89N0074

wKgZomX7-fSAR-yeAAI_fQsdksw105

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

wKgZomX7-fSAGcOSAAGYyN3InQo500

烧录过程log记录:

wKgZomX7-fSAduRSAALvGqsIGuA166

断电,将启动模式设置为Master SPI,系统启动log如下:

wKgZomX7-fSAdVU0AAOAkrb_Ir8963

上述展示了一个简单的应用程序的固件固化过程。

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

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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STARTUPPrimitive选项。

wKgZomX7-fWANJWvAAFHdLb_Ej8295

然后创建bootloader引导工程,如下

wKgZomX7-fWAZIvOAAH0bsRXmPo901

vitis工程引导界面提示修改合适的应用程序offset address。

wKgZomX7-fWAZ03AAAP1H7mrPqA960

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

wKgZomX7-faAHk3SAADYDYqplz8612

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)。

wKgZomX7-faAPSb8AAIXOa-cPZo763

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。

wKgZomX7-faAVNTAAAFilT1IX6M831

将生成的download.bit文件烧录到FLASH的0x0地址中。

wKgZomX7-faAZUiEAAE95GS8FCk516

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。

wKgZomX7-feAGf2lAAQDjOENes4007

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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。

wKgZomX7-feAG3NsAAQHUaY-_hU802

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:

wKgZomX7-feAX-jQAAY4R4IsBkw417

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

1. 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;

2. 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

3. 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

4. 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;

5. 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。

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