如何從Flash啟動嵌入式系統

以Arty A7開發板為例手把手教你實現

在諸多關于MicroBlaze軟核處理器的例程中，往往都是使用JTAG下載然后借助SDK執行程序代碼。然而無論是在項目展示還是實際應用中，我們都希望我們的設計可以即插即用，免去重復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，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用程序。

QSPI有兩個主要作用：

配置Artix FPGA

存儲應用軟件

對于第一個功能，我們在Vivado設計中不需要包含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配置完成并調用MicroBlaze軟核處理器，我們則需要在設計中引入與QSPI Flash通信的接口。這個新添加的接口允許引導程序（bootloader）從QSPI Flash存儲器中復制應用程序到Arty實際執行的DDR SDRAM存儲介質中。

當然，這會引起一個問題，即MicroBlaze bootloader（引導程序）從何而來？

開發bootloader（引導程序）的流程圖如下所示：

我們的目標是創建一個MCS鏡像，它包含了FPGA比特流和應用軟件文件，我們要將它燒寫到QSPI Flash中。為了實現這個方案我們需要在Vivado和SDK中執行以下步驟：

在已經存在的Vivado MicroBlaze設計中引入（添加）一個QSPI接口。

在Vivado中編輯器件設置，使用Master SPI_4來配置器件，并且將bit文件壓縮，構建完成后將應用導出到SDK。

在SDK中，基于導出的硬件設計創建一個新的應用工程。在工程創建對話框，選擇SREC SPI Bootloader模板。這個選擇會創建一個SREC bootloader應用，它會從QSPI Flash中加載主應用程序代碼。在構建bootloader ELF之前，我們首先要為應用軟件定義對于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。使用的系列標識號在BSP libsrc目錄下的xilisf.h中定義。對于這個應用我們選擇類型5，因為Arty板卡使用Micron QSPI器件，它的標識號即為類型5。

現在我們在SDK中創建第二個應用工程。這也是我們將使用bootloader加載的應用程序。在這個應用中我們創建了一個簡單的“hello world”工程，確保在linker文件中這個程序從DDR SDRAM開始運行。為了創建MCS文件，我們需要應用程序為S-record格式。這個格式以ASCII格式存儲二進制信息。（這個格式已經有40年的歷史，最初是為8位Motorola 6800微處理器而開發的。）我們可以使用SDK將生成的ELF轉換為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

創建好bootloader ELF文件后，現在我們要在Vivado內將比特流（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應用也需要很小才可以。如果你正遇到減小軟件應用大小的問題，不妨在增加本地存儲內存之前考慮使用編譯器優化。

創建好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。

最后一步是生成統一的MCS文件，包含合并的bitstream（比特流）文件和應用軟件。當生成這個文件時，我們需要記住加載應用程序時使用與SREC bootloader相同的偏移量。

一旦這個文件構建完成并燒寫到QSPI存儲中，我們就可以進行測試查看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的執行結果。報告應該顯示S-record文件在程序執行前已經從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計中的MicroBlaze工作系統了。