本文主要包含MultiBoot的功能簡(jiǎn)介、流程介紹和工程實(shí)現(xiàn)幾個(gè)部分的講解。

我們先從它的功能介紹講起來(lái)；MultiBoot功能是大部分Xilinx FPGA可以實(shí)現(xiàn)的固有特性；其主要優(yōu)點(diǎn)如下所示：

1、我們可以把多個(gè)bitstream存儲(chǔ)在配置Flash中，通過(guò)MultiBoot功能來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)bitstream之間的動(dòng)態(tài)切換，從而達(dá)到使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)；

2、在一個(gè)工程里面實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊，而每個(gè)功能模塊不需要同時(shí)運(yùn)行的情況，可以通過(guò)MultiBoot功能使用相對(duì)小規(guī)模的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，從而提高性?xún)r(jià)比；

3、MultiBoot和Fallback可以支持實(shí)現(xiàn)FPGA遠(yuǎn)程在線(xiàn)升級(jí)，當(dāng)升級(jí)bit有錯(cuò)誤可以觸發(fā)Fallback來(lái)返回到Golden Image去正常運(yùn)行。

Golden Image里面正常會(huì)包含F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的基本功能，例如外設(shè)配置和初始化、遠(yuǎn)程升級(jí)等等客戶(hù)需要的基本功能；如果Golden Image損壞的情況下，F(xiàn)PGA是無(wú)法工作的，需要返回工廠(chǎng)重新手動(dòng)燒寫(xiě)bit文件到Flash中。

Golden Image設(shè)計(jì)要求主要包含下面幾點(diǎn)：

1、IPROG(Internal program) command在Golden Image里面可以通過(guò)設(shè)置bitstream setting里面的next configuration address (BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR)，或者在HDL代碼使用ICAPE3原語(yǔ)來(lái)設(shè)定加載地址值；通過(guò)設(shè)置BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_REBOOTDISABLE來(lái)把

IPROG command關(guān)掉，在這種情況下上電后會(huì)直接去加載Golden Image；

2、跳轉(zhuǎn)地址寄存器WBSTAR(warm boot start address)可以在bitstream或者ICAP里面來(lái)設(shè)定；

3、MultiBoot Image必須存儲(chǔ)在WBSTAR設(shè)置的Flash地址位置；

4、Watchdog timer包含configuration monitor和user logic monitor兩種模式；在配置模式下面，Timer times out情況下，配置電路會(huì)去加載fallback bitstream。Watchdog Timer可以在bitstream options里面使能。

Golden Image是從Flash中的0地址開(kāi)始存儲(chǔ)；其幀頭會(huì)包括WBSTAR（next_config_addr）寄存器里面指定的upper address space等信息。FPGA器件上電后會(huì)從0地址開(kāi)始加載Golden Image后，會(huì)根據(jù)里面的設(shè)定來(lái)決定加載Golden Image還是直接跳轉(zhuǎn)到MultiBoot Image存儲(chǔ)地址去執(zhí)行MultiBoot Image；當(dāng)MultiBoot Image加載時(shí)候遇到錯(cuò)誤，F(xiàn)allback電路會(huì)觸發(fā)去重新從0地址去加載Golden Image。其流程如圖所示：

MultiBootImage是從設(shè)定好的upper address space去加載運(yùn)行；如果加載出現(xiàn)問(wèn)題，F(xiàn)allback電路會(huì)去加載Golden Image。我們可以在Golden Image里面去修復(fù)Multiboot Image里面的錯(cuò)誤等等問(wèn)題。所以說(shuō)MultiBoot Image里面運(yùn)行的就是我們要實(shí)現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)功能,可以是多個(gè)Multiboot Image。

Golden Image設(shè)計(jì)要求主要包含下面幾點(diǎn)：

1、WBSTAR里面的值要指向MultiBoot存儲(chǔ)位置；

2、Watchdog Timer功能要bitstream options里面使能；

3、代碼里面可以通過(guò)IPROG命令去運(yùn)行ICAPE3來(lái)跳轉(zhuǎn)想要運(yùn)行其他的MultiBoot Image。

MultiBoot加載流程如圖所示：

在配置過(guò)程中遇到IDCODE error、CRC error、Watchdog timer timeout error、BPI address wraparound error情況會(huì)觸發(fā)fallback。Fallback功能可以通過(guò)使能bitstream.config.configfallback enable里面的ConfigFallback選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)fallback運(yùn)行時(shí)，Watchdog Timer\IPROG是disable的；另外當(dāng)fallback重新配置FPGA出錯(cuò)情況下，配置電路會(huì)停止工作同時(shí)會(huì)把INIT_B\Done保持為低電平。

MultiBoot功能可以通過(guò)設(shè)置下面bitstream里面的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些參數(shù)可以通過(guò)Tcl console或者寫(xiě)入到XDC文件里面來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。

在前面介紹其功能作用和含義等等后，下面我們開(kāi)始工程實(shí)現(xiàn)。

本人使用Vivado版本為2020.2；硬件基于米聯(lián)客設(shè)計(jì)的KU040板卡。先建立Golden Image的工程，里面包括HDL文件和XDC約束。

Golden Image的工程里面代碼主要是把led1燈點(diǎn)亮。XDC里面包括IO約束信息等等，其中0x040000是Multiboot Image存放Flash里面的物理地址。

Multiboot Image led2的工程里面代碼主要是把led1燈點(diǎn)亮。XDC里面包括IO約束和配置約束信息等等，可以看到是和Golden Image工程里面約束是有差異的。

在工程建立完成后開(kāi)始合并bit文件并燒入到板卡里面：

1、使用下面tcl去把兩個(gè)bit文件合為一個(gè)mcs文件；

2、通過(guò)Hardware Manager去燒入到板卡的Flash中；
3、燒寫(xiě)完成后選擇Boot from Configuration Memory Devive去加載FPGA。
4、在FPGA加載后可以看到板卡上面LED2燈點(diǎn)亮。

5、在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能；由于加載沒(méi)有錯(cuò)誤，目前運(yùn)行的是Multiboot程序。CONFIG_SATUS里面可以看到DON_PIN拉高。

下面我們嘗試把multiboot image里面的IDCODE修改掉，人為的造成錯(cuò)誤來(lái)驗(yàn)證板卡是否會(huì)跳轉(zhuǎn)到Golden Image去執(zhí)行。
1、使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打開(kāi)后，搜索到Update.bit里面的KU040的IDCODE3822093,并把它修改為0；重新生成ku_multiboot_spix4 _id.mcs文件燒入到FPGA.

2、按照前面流程合成bit文件后燒入到Flash中并上電；
3、在FPGA加載后可以看到板卡上面LED1燈點(diǎn)亮；證明Fallback功能生效，當(dāng)Multiboot Image損壞后可以安全加載Golden Image。

4、在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能，ID_ERROR拉高；這時(shí)候Multiboot Image加載遇到ID錯(cuò)誤，F(xiàn)PGA返回到Golden Image去運(yùn)行。

我們可以再?lài)L試把multiboot image其他部分破壞掉導(dǎo)致CRC出錯(cuò)來(lái)驗(yàn)證功能。

1、使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打開(kāi)后，在Update.bit里面做如下修改來(lái)驗(yàn)證CRC錯(cuò)誤情況。

2、燒入到板卡上電后；由于multiboot image里面有CRC錯(cuò)誤，所以板卡還是返回到Golden Image去運(yùn)行。

除了前面我們?cè)赽itstream里面去實(shí)現(xiàn)Multiboot功能，我們還可以在代碼里面嵌入IPROG的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)Image的跳轉(zhuǎn)功能。

代碼里面使用IPROG功能的流程如下圖所示：

我們可以在點(diǎn)亮LED2的那個(gè)工程來(lái)做相關(guān)修改：

1、我們?cè)邳c(diǎn)LED2燈的MultiBoot Image LED2工程里面加入ICAPE3代碼；

2、根據(jù)前面命令流程圖在代碼里面實(shí)現(xiàn)其功能；其中Warm Boot Start Address要跟bit文件在Flash里面位置對(duì)應(yīng)起來(lái)，不然跳轉(zhuǎn)后會(huì)找不到對(duì)應(yīng)的image導(dǎo)致失敗。

3、建立點(diǎn)亮MultiBoot Image LED3工程來(lái)配合前面IPROG命令功能；這樣可以通過(guò)MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令在FPGA不斷電的情況下實(shí)時(shí)把切換MultiBoot Image LED3到工程來(lái)點(diǎn)亮LED3。

4、使用下面tcl去把兩個(gè)bit文件合為一個(gè)mcs文件；

5、燒寫(xiě)完成后選擇Boot from Configuration Memory Devive去加載FPGA，然后通過(guò)外置按鍵來(lái)執(zhí)行MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令去實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。

審核編輯：劉清