如何從Flash啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)

以Arty A7開(kāi)發(fā)板為例手把手教你實(shí)現(xiàn)

在諸多關(guān)于MicroBlaze軟核處理器的例程中，往往都是使用JTAG下載然后借助SDK執(zhí)行程序代碼。然而無(wú)論是在項(xiàng)目展示還是實(shí)際應(yīng)用中，我們都希望我們的設(shè)計(jì)可以即插即用，免去重復(fù)燒寫(xiě)的麻煩和必須使用SDK運(yùn)行程序的限制。

事實(shí)上，為了部署一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)，需要在沒(méi)有任何人為操作的情況下從非易失性存儲(chǔ)器中啟動(dòng)MicroBlaze處理器并加載程序代碼。

本篇文章，我們就圍繞這個(gè)話題，以Digilent Arty Artix-7開(kāi)發(fā)板為例，教你如何在板載的QSPI Flash中存儲(chǔ)比特流配置文件和應(yīng)用程序。

QSPI有兩個(gè)主要作用：

配置Artix FPGA

存儲(chǔ)應(yīng)用軟件

對(duì)于第一個(gè)功能，我們?cè)赩ivado設(shè)計(jì)中不需要包含QSPI接口。我們只需要在Vivado配置中更新對(duì)QSPI的設(shè)置，提供QSPI Flash存儲(chǔ)器與FPGA配置管腳的連接。然而，一旦FPGA配置完成并調(diào)用MicroBlaze軟核處理器，我們則需要在設(shè)計(jì)中引入與QSPI Flash通信的接口。這個(gè)新添加的接口允許引導(dǎo)程序（bootloader）從QSPI Flash存儲(chǔ)器中復(fù)制應(yīng)用程序到Arty實(shí)際執(zhí)行的DDR SDRAM存儲(chǔ)介質(zhì)中。

當(dāng)然，這會(huì)引起一個(gè)問(wèn)題，即MicroBlaze bootloader（引導(dǎo)程序）從何而來(lái)？

開(kāi)發(fā)bootloader（引導(dǎo)程序）的流程圖如下所示：

我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)MCS鏡像，它包含了FPGA比特流和應(yīng)用軟件文件，我們要將它燒寫(xiě)到QSPI Flash中。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案我們需要在Vivado和SDK中執(zhí)行以下步驟：

在已經(jīng)存在的Vivado MicroBlaze設(shè)計(jì)中引入（添加）一個(gè)QSPI接口。

在Vivado中編輯器件設(shè)置，使用Master SPI_4來(lái)配置器件，并且將bit文件壓縮，構(gòu)建完成后將應(yīng)用導(dǎo)出到SDK。

在SDK中，基于導(dǎo)出的硬件設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用工程。在工程創(chuàng)建對(duì)話框，選擇SREC SPI Bootloader模板。這個(gè)選擇會(huì)創(chuàng)建一個(gè)SREC bootloader應(yīng)用，它會(huì)從QSPI Flash中加載主應(yīng)用程序代碼。在構(gòu)建bootloader ELF之前，我們首先要為應(yīng)用軟件定義對(duì)于QSPI基址的地址偏移，在這個(gè)示例中為0x600000。我們?cè)赽lconfig.h中定義這個(gè)偏移量。我們還需要更新SREC Bootloader BSP來(lái)鑒別正確的串口Flash存儲(chǔ)器件。因此重新配置BSP。使用的系列標(biāo)識(shí)號(hào)在BSP libsrc目錄下的xilisf.h中定義。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用我們選擇類(lèi)型5，因?yàn)锳rty板卡使用Micron QSPI器件，它的標(biāo)識(shí)號(hào)即為類(lèi)型5。

現(xiàn)在我們?cè)赟DK中創(chuàng)建第二個(gè)應(yīng)用工程。這也是我們將使用bootloader加載的應(yīng)用程序。在這個(gè)應(yīng)用中我們創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的“hello world”工程，確保在linker文件中這個(gè)程序從DDR SDRAM開(kāi)始運(yùn)行。為了創(chuàng)建MCS文件，我們需要應(yīng)用程序?yàn)镾-record格式。這個(gè)格式以ASCII格式存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。（這個(gè)格式已經(jīng)有40年的歷史，最初是為8位Motorola 6800微處理器而開(kāi)發(fā)的。）我們可以使用SDK將生成的ELF轉(zhuǎn)換為S-record格式。為了在SDK中生成S-record文件，我們打開(kāi)bash shell窗口，切換到ELF所在的目錄然后輸入如下命令：

cmd /c mb-objcopy -O srec .elf .srec

創(chuàng)建好bootloader ELF文件后，現(xiàn)在我們要在Vivado內(nèi)將比特流（bitstream）文件與bootloader ELF文件合并。這個(gè)步驟允許bootloader被加載到MicroBlaze處理器的本地存儲(chǔ)空間，并且按照配置運(yùn)行。因?yàn)檫@個(gè)存儲(chǔ)空間很小，所以bootloader應(yīng)用也需要很小才可以。如果你正遇到減小軟件應(yīng)用大小的問(wèn)題，不妨在增加本地存儲(chǔ)內(nèi)存之前考慮使用編譯器優(yōu)化。

創(chuàng)建好bit文件和S-record文件后，我們使用Vivado硬件管理器來(lái)增加配置存儲(chǔ)器。

最后一步是生成統(tǒng)一的MCS文件，包含合并的bitstream（比特流）文件和應(yīng)用軟件。當(dāng)生成這個(gè)文件時(shí)，我們需要記住加載應(yīng)用程序時(shí)使用與SREC bootloader相同的偏移量。

一旦這個(gè)文件構(gòu)建完成并燒寫(xiě)到QSPI存儲(chǔ)中，我們就可以進(jìn)行測(cè)試查看MCS文件的工作情況。將Arty板卡與PC終端建立連接然后按下板卡上的復(fù)位（reset）按鈕。幾秒鐘后你就會(huì)看到Arty板卡上的“done”LED燈亮起，然后在終端窗口中看到SREC bootloader的執(zhí)行結(jié)果。報(bào)告應(yīng)該顯示S-record文件在程序執(zhí)行前已經(jīng)從QSPI加載到DDR SDRAM中了。

到這里，我們就有了一個(gè)可以部署到我們?cè)O(shè)計(jì)中的MicroBlaze工作系統(tǒng)了。