如何從Flash啟動嵌入式系統(tǒng)

以Arty A7開發(fā)板為例手把手教你實現(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。然而無論是在項目展示還是實際應(yīng)用中，我們都希望我們的設(shè)計可以即插即用，免去重復(fù)燒寫的麻煩和必須使用SDK運行程序的限制。

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

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

QSPI有兩個主要作用：

配置Artix FPGA

存儲應(yīng)用軟件

對于第一個功能，我們在Vivado設(shè)計中不需要包含QSPI接口。我們只需要在Vivado配置中更新對QSPI的設(shè)置，提供QSPI Flash存儲器與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)計中引入與QSPI Flash通信的接口。這個新添加的接口允許引導(dǎo)程序（bootloader）從QSPI Flash存儲器中復(fù)制應(yīng)用程序到Arty實際執(zhí)行的DDR SDRAM存儲介質(zhì)中。

當(dāng)然，這會引起一個問題，即MicroBlaze bootloader（引導(dǎo)程序）從何而來？

開發(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，我們要將它燒寫到QSPI Flash中。為了實現(xiàn)這個方案我們需要在Vivado和SDK中執(zhí)行以下步驟：

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

在Vivado中編輯器件設(shè)置，使用Master SPI_4來配置器件，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)計創(chuàng)建一個新的應(yīng)用工程。在工程創(chuàng)建對話框，選擇SREC SPI Bootloader模板。這個選擇會創(chuàng)建一個SREC bootloader應(yīng)用，它會從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)用軟件定義對于QSPI基址的地址偏移，在這個示例中為0x600000。我們在blconfig.h中定義這個偏移量。我們還需要更新SREC Bootloader BSP來鑒別正確的串口Flash存儲器件。因此重新配置BSP。使用的系列標(biāo)識號在BSP libsrc目錄下的xilisf.h中定義。對于這個應(yīng)用我們選擇類型5，因為Arty板卡使用Micron QSPI器件，它的標(biāo)識號即為類型5。

現(xiàn)在我們在SDK中創(chuàng)建第二個應(yīng)用工程。這也是我們將使用bootloader加載的應(yīng)用程序。在這個應(yīng)用中我們創(chuàng)建了一個簡單的“hello world”工程，確保在linker文件中這個程序從DDR SDRAM開始運行。為了創(chuàng)建MCS文件，我們需要應(yīng)用程序為S-record格式。這個格式以ASCII格式存儲二進(jìn)制信息。（這個格式已經(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。這個步驟允許bootloader被加載到MicroBlaze處理器的本地存儲空間，并且按照配置運行。因為這個存儲空間很小，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)用大小的問題，不妨在增加本地存儲內(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硬件管理器來增加配置存儲器。

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)生成這個文件時，我們需要記住加載應(yīng)用程序時使用與SREC bootloader相同的偏移量。

一旦這個文件構(gòu)建完成并燒寫到QSPI存儲中，我們就可以進(jìn)行測試查看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，我們就有了一個可以部署到我們設(shè)計中的MicroBlaze工作系統(tǒng)了。