Xilinx FPGA 嵌入式系统程序引导和启动的流程

这篇blog想弄清楚FPGA上电配置后程序引导和启动的整个流程是怎么样的，不是谈论如何编写bootloader。

主题的引出

本人创建了一个基于MicroBlaze的嵌入式系统（类似于如图1所示，当然没有图1那么复杂）。片上BRAM仅仅是64KB，而本人生成的程序镜像有2MB多，所以这样的话，程序镜像不能跟用于配置FPGA的bit流文件融合直接配置到片上的BRAM中。解决的方案是用外部非易失性存储介质来存储程序镜像和bit流文件，如PROM，或者Flash。Xilinx提供了一种SystemACE 配置解决方案，那整个工作流程又是如何的呢？[[wysiwyg_imageupload:290:]]
图1. 基于MicroBlaze的SOPC架构

问题的解决

在参考文献1中，有这样一句话，SystemACE解决方案是通过JTAG将程序下载到debug（对于MicroBlaze也就是，MicroBlaze debug module）。看到这句话，一时没反应过来。要知道SystemACE解决方案是将用于配置FPGA的bitsteams文件和程序可执行二进制文件融合生成一个*.ace。在看了genace.tcl这个用于生成ace文件的脚本后，终于明白了，刚才提到的那句话。
首先说明一下SystemACE文件是如何生成的？
1. 通过iMPACT工具将bitstream文件转为SVF文件该SVF文件包含了配置FPGA的JTAG指令序列
2.通过XMD将elf可执行文件转为SVF文件该SVF文件包含了通过XMD将ELF文件下载带内存或许片上BRAM的JTAG指令序列
3.通过XMD将数据/二进制代码转为SVF文件
4.连结第一步和第二步中生成的SVF文件
5.通过iMPACT工具利用结合的SVF文件生成systemACE文件
整个生成过程一目了然了，SystemACE解决替代了这样一个在线调试的流程：通过iMPACT将含有bootloop的程序的bitstream文件通过JTAG下载到FPGA中，这个时候FPGA在空转，等待运行程序的加载。接下来通过XMD先跟debug和CPU通信，然后将程序下载到指定的内存或者BRAM中，然后运行CPU。
总结，SystemACE配置方案，需要硬件的支持，即SystemACE控制器和CF卡，当然在嵌入式系统中还需要添加Debug模块。优点显而易见，不用编写bootload类似的引导程序，也不用关心程序镜像的大小，因为CF卡的容量很大，满足了绝大多数的嵌入式应用的要求。

问题的延伸

还有一种情况就是通过PROM/FLASH存储程序镜像和bitstream文件配置FPGA，并引导程序启动。具体的流程如下：
这里不关心如何去配置FPGA，而关心的是系统是如何引导的。以在FPGA运行Linux为例作说明。如图3所示，具体步骤如下：
第一步，CPU从0x0地址（BRAM）执行Loader1 （注意,Loader1放在BRAM中，在配置FPGA过程中就加在进去）
第二步，Loader1读取SPI Flash中Loader2程序，然后复制到内存中。
第三步，Loader1程序跳至在内存中执行Loader2
第四步，Loader2读取SPI Flash中压缩的内核镜像
第五步，Loader2程序解压缩内核到另一块内存空间
第六步，Loader2程序跳至解压缩的内核镜像
第七步，Linux内核启动
由上面的流程可知，通过PROM或者Flash进行配置的话，需要Bootload作支持，即需要完成将程序镜像从Flash或者PROM中读取至内存上。当然嵌入式系统中需要添加PROM或者Flash控制器。