Xilinx FPGA Multiboot-使用ICAPE2原语

什么是远程升级？

是一种更新程序的方法。在实际情况下，我们做好一个产品，进行更新的时候，不可能把产品拆开，对里面的固件进行升级。所以会涉及到一种远程升级的方法，就是上位机通过串口，或者PCIe等网络协议，将需要更新的程序放入FPGA的fifo,FPGA通过spi控制与flash进行交互，将从上位机收到的数据传入flash。

这里的flash就是一个存储产品配置的一个存储器。

什么是Multiboot？

将flash分区，放入不同的镜像工程，可以根据地址寻找不同的镜像工程进行加载。

flash存储的形式？

在flash中，我们会进行分区。

Golden Image区：从地址0开始，存储产品的一个稳定版本。当update区的程序启动失败时，让产品加载这个稳定版本，不至于让产品不能启动。

Update Image区：在golden区的地址之上开辟。用来存储我们的升级版本。

这是一个加载的顺序图，从图上我们可以看出：

step1：FPGA首先从地址0开始加载，这时候我们处于Golden镜像。

step2：由于我们在golden镜像的工程里面设置了跳转。所以这个时候我们会跳过Golden区。跳到我们设置的flash地址。

step3：这时候我们开始开始加载Update Image

step4：这里会进行一个判断，如果Update Image没有问题。我们就直接加载Update镜像，也就是我们需要升级的程序。如果有问题，那我们会进入step5;

step5：如果Update Image有问题，会进行一个fallback，也就是回滚。加载稳定程序 Golden Image.

想要做到多镜像启动，有两种方法。

1.是在bit流中加入指令，让FPGA加载的时候根据指令跳入到需要加载的flash镜像地址。

2.Xlinx提供了一个原语，可以在代码中进行操作，本质还是在bit流文件中加入指令。不过在代码中操作更方便。

小测试：

代码工程放在最下面，需要的自取

说一下测试的功能点以及怎么体现Multiboot：

1.两个工程：

a.golden工程：点亮led0

b.update工程：点亮led1

2.使用ICAPE2原语进行分区控制。

设备ID查找表：

怎么使用？我先贴出一个代码参考：

`default_nettype none
module multiboot_ctrl(
input	wire			clk,
input	wire			rst_n,
 
input	wire			multiboot_start,	//触发Multiboot, 上升沿有效
input	wire	[31:0]	multiboot_addr,		//要启动的Muliboot Image的起始地址
 
output	reg				busy
);
 
 
wire	multiboot_start_pe;
reg		multiboot_start_d0;
reg		multiboot_start_d1;
 
assign	multiboot_start_pe	= multiboot_start_d0 & (~multiboot_start_d1); // 采集控制使能的下降沿
 
always @(posedge clk) begin
	multiboot_start_d0		<= multiboot_start;
	multiboot_start_d1		<= multiboot_start_d0;
end
 
//-------------------ICAPE2原语-----------------------------
wire			ICAPE2_CLK;
wire	[31:0]	ICAPE2_O;
reg				ICAPE2_CSIB;
wire	[31:0]	ICAPE2_I;
reg				ICAPE2_RDWRB;
 
assign	ICAPE2_CLK	= clk;
 
ICAPE2 #(
     .DEVICE_ID			(32'h362d093),	// 需要看自己芯片对应的设备ID A7-35T的为32'h362d093
     .ICAP_WIDTH		("X32"),		// 输入，输出位宽配置 "X32", "X8", "X16" 默认 "X32"
     .SIM_CFG_FILE_NAME	("NONE")		// 配置仿真模型要解析的原始比特流文件，这里没有 所以填"NONE"
)
ICAPE2_inst(
     .O					(ICAPE2_O),		// 32-bit output: Configuration data output bus
     .CLK				(ICAPE2_CLK),	// 1-bit input: Clock Input
     .CSIB				(ICAPE2_CSIB),	// 1-bit input: ICAP的使能信号，低有效。如果不发指令或地址的时候，拉高
     .I					(ICAPE2_I),		// 32-bit input: 数据总线，输入对应的指令或flash跳转地址
     .RDWRB				(ICAPE2_RDWRB)	// 1-bit input: 1对应rd，0对应wr。发指令或地址的时候就是0，否则1
);
 
wire	[31:0]	Dummy		= 32'hFFFFFFFF; //伪指令，不进行操作，实际上为等待状态
wire	[31:0]	Sync_Word	= 32'hAA995566; //跳转指令同步字
wire	[31:0]	NOOP		= 32'h20000000; //中断指令
wire	[31:0]	WR_WBSTAR	= 32'h30020001; //type1 写入跳转空间的字节
wire	[31:0]	WBSTAR		= {3'b000, 5'h0, multiboot_addr[31:8]}; //跳转空间地址，可以根据bit大小修改
wire	[31:0]	WR_CMD		= 32'h30008001; //type1 写入的控制指令字
wire	[31:0]	IPROG		= 32'h0000000F; //跳转到下一个程序的控制指令
 
//ICAPE2位翻转
reg		[31:0]	wrdat;
assign	ICAPE2_I	= {wrdat[24], wrdat[25], wrdat[26], wrdat[27], wrdat[28], wrdat[29], wrdat[30], wrdat[31], 
					   wrdat[16], wrdat[17], wrdat[18], wrdat[19], wrdat[20], wrdat[21], wrdat[22], wrdat[23], 
					   wrdat[8], wrdat[9], wrdat[10], wrdat[11], wrdat[12], wrdat[13], wrdat[14], wrdat[15], 
					   wrdat[0], wrdat[1], wrdat[2], wrdat[3], wrdat[4], wrdat[5], wrdat[6], wrdat[7]};
 
//------------------------FSM----------------------------------
localparam	S_IDLE			= 16'h0001;
localparam	S_DUMMY			= 16'h0002;
localparam	S_SYN_WORD		= 16'h0004;
localparam	S_NOOP1			= 16'h0008;
localparam	S_WR_WBSTAR		= 16'h0010;
localparam	S_WBSTAR		= 16'h0020;
localparam	S_WR_CMD		= 16'h0040;
localparam	S_IPROG			= 16'h0080;
localparam	S_NOOP2			= 16'h0100;
localparam	S_STOP			= 16'h0200;
 
 
 
reg		[15:0]	state		= S_IDLE;
reg		[15:0]	next_state;
 
always @(posedge clk) begin
	if(~rst_n) begin
		state	<= S_IDLE;
	end
	else begin
		state	<= next_state;
	end
end
 
always @(*) begin
	case(state)
	S_IDLE: begin
		if(multiboot_start_pe) begin
			next_state	<= S_DUMMY;
		end
		else begin
			next_state	<= S_IDLE;
		end
	end
	S_DUMMY:		next_state	<= S_SYN_WORD;
	S_SYN_WORD:		next_state	<= S_NOOP1;
	S_NOOP1:		next_state	<= S_WR_WBSTAR;
	S_WR_WBSTAR:	next_state	<= S_WBSTAR;
	S_WBSTAR:		next_state	<= S_WR_CMD;
	S_WR_CMD:		next_state	<= S_IPROG;
	S_IPROG:		next_state	<= S_NOOP2;
	S_NOOP2:		next_state	<= S_STOP;
	S_STOP:			next_state	<= S_IDLE;
	default:		next_state	<= S_IDLE;
	endcase
end
 
always @(posedge clk) begin
	case(state)
	S_IDLE: begin
		wrdat			<= 32'd0;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b1;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b1;
	end
	S_DUMMY: begin
		wrdat			<= Dummy;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_SYN_WORD: begin
		wrdat			<= Sync_Word;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_NOOP1: begin
		wrdat			<= NOOP;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_WR_WBSTAR: begin
		wrdat			<= WR_WBSTAR;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_WBSTAR: begin
		wrdat			<= WBSTAR;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_WR_CMD: begin
		wrdat			<= WR_CMD;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_IPROG: begin
		wrdat			<= IPROG;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_NOOP2: begin
		wrdat			<= NOOP;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b0;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b0;
	end
	S_STOP: begin
		wrdat			<= 32'd0;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b1;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b1;
	end
	default: begin
		wrdat			<= 32'd0;
		ICAPE2_CSIB		<= 1'b1;
		ICAPE2_RDWRB	<= 1'b1;
	end
	endcase
end
always @(*) begin
	case(state)
	S_IDLE:		busy	<= 1'b0;
	default:	busy	<= 1'b1;
	endcase
end
endmodule

就是根据一个使能信号，然后一步一步往ICAPE2里面发指令，具体看上面代码。

代码参考这位大佬的：K7系列FPGA多重启动(Multiboot)_multiboot多重配置-CSDN博客

3.XDC文件的配置

#Updata Image工程中添加
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIX1 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 1 [current_design]

#Golden Image工程中添加
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR 0x00400000 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIX1 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 1 [current_design]

这一条是让golden可以进行跳转，以及跳转到哪个地址。

这一条是配置回滚使能。让Update Image加载失败的时候能够回滚到Golden Image。

这两个是配置SPI的模式，后面生成mcs要用。

4.bit流生成

生成之后看下对应的功能是否正常。具体请看步骤1

5.生成mcs文件。

对上图进行一下讲解：

1.生成文件类型，毫无疑问选MCS（因为我们就是要生成这个）

2.根据你的flash的大小填写，我这边是16MB，这个是以字节为单位哈。

3.填写你的生成文件路径

4.程序下载的方式，这里和上面XDC对应上，XDC写的SPI 1，所以这里选的SPIx1

5.你的Golden Image的bit文件路径，记住这里的开始地址是0；

6.你的Update Image的bit文件路径，记住这里的开始地址是你自己设置的update Image的起始地址。如果你不知道应该设置多大，你可以先填写大一点。然后在prm文件里面可以查看。

prm文件：是mcs的伴生文件，里面是一些mcs文件的信息。

例如下图：

可以看到bit流文件的大小。

点击OK，然后在你填写的文件生成路径下面可以看到两个文件，一个mcs一个prm

6.将mcs文件固化到板子上。

这个就不具体说了，不清楚的搜下看看。

7.测试正常功能

固化之后，断电，拔掉Jtag，然后上电。正常的话，会看到led1亮，也就是Update工程被加载了。

8.测试fallback

正常我们是加载Update Image，现在我们测试一下能不能回滚：

1.修改update的bit流文件。打开之后随便在中间改几个字节。

我用的vscode，下载一个插件就能打开了

2.改好了之后，我们生成一个新的mcs文件，就是战损版。

3.使用战损版mcs进行固化

4.这个时候应该看到led0亮，因为update的bit流被我们人为破坏了，所以回滚到了Gloden 工程。

重点：

1.理解多镜像分区，以及为什么要分区。

2.ICAPE2原语的使用。

3.具体代码可以在我的gitee上自取，有现成的mcs文件。如果有帮助，麻烦gitee上点个心。

Xilinx-Multiboot-ICAPE2-test: 使用Xilinx的ICAPE2原语，实现一个Multiboot的小测试

如果有说错的地方，欢迎评论区或私聊指出，大家可以一起讨论哈~~~

更多嵌入式，FPGA资料可参考：天津大学四川院FPGA培训中心 -- www.sxfpga.cn