在FPGA中如何通過ICAP原語實現(xiàn)Multiboot？

FPGA的MultiBoot功能可以支持遠(yuǎn)程動態(tài)更新bitstream images，實現(xiàn)bitstream images的實時切換。在MultiBoot配置過程中檢測到錯誤時，F(xiàn)PGA可以觸發(fā)fallback 功能，以確?？梢詫⒁阎己玫脑O(shè)計加載到器件中。

MultiBoot的大致過程如下圖：

MultiBoot的配置文件由兩個比特流文件生成，第一個為備份文件，永遠(yuǎn)都不會變，稱為Golden_image，從Flash的0地址存儲。

第二個為更新文件，后面遠(yuǎn)程更新，更新的就是這個文件，稱為Update_image，存放在某個地址處，這個地址有熱啟動地址寄存器（WBSTAR）指定。

配置過程大致如下：FPGA從FLASH的0地址處讀取配置，遇到IPROG Command命令時，跳轉(zhuǎn)到WBSTAR寄存器指定的地址，該地址存放Update_image的地址，此時FPGA嘗試加載該地址處的比特流文件，配置成功的話，就執(zhí)行該配置的功能。如果遇到配置錯誤，則觸發(fā)FallBack，F(xiàn)PGA重新加載Golden_image。

1、ICAPE3 接口

FPGA實現(xiàn)IPROG通常有兩種方式，一種是通過ICAP配置，一種是把相關(guān)指令嵌入bit文件中。與通過bit文件實現(xiàn)IPROG相比，通過ICAP更靈活。

在Xilinx FPGA 中ICAP（Internal Configuration Access Port） 指的是內(nèi)部配置訪問端口，其主要作用是通過內(nèi)部配置訪問端口（ICAP），用戶可以在FPGA邏輯代碼中直接讀寫FPGA內(nèi)部配置寄存器（類似SelectMAP），從而實現(xiàn)特定的配置功能，例如Multiboot。

ICAP目前為止有三個版本，包括ICAP，ICAPE2以及ICAPE3。UltraScale系列對應(yīng)ICAPE3，7系列對應(yīng)ICAPE2，7系列之前的對應(yīng)ICAP。

以下以ICAPE3 為例，ICAPE3 的接口如下：

2、IPROG指令

每個UltraScale系列的FPAG包括2個ICAPE3，但實際使用時只能例化并使用一個，默認(rèn)頂部ICAPE3， 初級玩家采用默認(rèn)的即可。

IPROG指令的作用跟外部Program_B管腳的作用類似，都是對FPGA芯片進行復(fù)位操作，該復(fù)位操作對FPGA內(nèi)部的應(yīng)用程序進行復(fù)位，復(fù)位過程中除專用配置管腳和JTAG管腳，其他輸入/輸出管腳均為高阻態(tài)，同時IPROG指令不能復(fù)位專用重配置邏輯，如WBSTAR寄存器、TIMER寄存器、BSPI寄存器和BOOTSTS寄存器。IPROG指令能夠觸發(fā)FPGA開啟初始化流程，同時拉低INIT和Done信號。完成復(fù)位操作后，將默認(rèn)的加載地址用熱啟動地址寄存器（Warm Boot Start Address，WB-STAR）中的新地址替換。

通過ICAP發(fā)送IPROG指令實現(xiàn)Multiboot的步驟如下：

首先寫入同步頭 32’hAA995566， 然后將需要跳轉(zhuǎn)到的bit文件的起始地址寫入WBSTAR寄存器，最后寫入IPROG（internal PROGRAM_B）指令。

WBSTAR寄存器的格式，根據(jù)自己的要為Update_image分配在FLASH的地址，按照下面的格式生成一個32位數(shù)據(jù)。例如，我為Update_image分配的flash地址為2000000。

（1）對于BPI模式來說，可以通過RS［1:0］來控制具體位流的讀取，也可以通過STAT_ADDR［28:0］地址來控制具體位流的讀取。

（2）對于SPI模式來說，只有STAT_ADDR［23:0］地址來表征FLASH器件的地址，當(dāng)使用32位地址的SPI（容量大于等于256Mb）時，需要將實際存儲的高24地址賦值給STAT_ADDR［23:0］。因此在位流存儲的起始地址早于255時，這就要求位流中的dummy數(shù)目要大于256個，否則就會出現(xiàn)易失部分有效位流讀取，導(dǎo)致加載失敗。為了安全起見，在使用大于等于256Mb的FLASH時，可以適當(dāng)在位流頭前加入Dummy。

這里需要注意一點，ICAP以及SelectMAP都存在位反轉(zhuǎn)（Bit Swapping），也就是說，上表中所有的數(shù)據(jù)需要進行位反轉(zhuǎn)之后才能接到ICAP的輸入接口，同理，ICAP輸出的值需要進行位反轉(zhuǎn)后才能與實際的值對應(yīng)起來，位反轉(zhuǎn)的示例如下圖。

3、ICAPE3 例化示例

ICAPE3 進行例化，示例如下：

// ICAPE3： Internal Configuration Access Port

// UltraScale

// Xilinx HDL Language Template， version 2019.1

ICAPE3 #（

.DEVICE_ID（32‘h03628093），//pre-programmed Device ID value，used for simulation

// purposes.

.ICAP_AUTO_SWITCH（“DISABLE”），//Enable switch ICAP using sync word

.SIM_CFG_FILE_NAME（“NONE”）//Raw Bitstream （RBT） file，parsed by the simulation

// model

）

ICAPE3_inst （

.AVAIL（AVAIL）， // 1-bit output： Availability status of ICAP

.O（O）， // 32-bit output： Configuration data output bus

.PRDONE（PRDONE），//1-bit output： Indicates completion of Partial Reconfiguration

.PRERROR（PRERROR），//1-bit output： Indicates Error during Partial Reconfiguration

.CLK（CLK）， // 1-bit input： Clock input

.CSIB（CSIB）， // 1-bit input： Active-Low ICAP enable

.I（I）， // 32-bit input： Configuration data input bus

.RDWRB（RDWRB） // 1-bit input： Read/Write Select input

）;

// End of ICAPE3_inst instantiation

其中設(shè)備號DEVICE_ID需要查找USER GUIDE手冊，而ICAP原語接口時序跟Select Map接口時序非常相似。SelectMap模式下，F(xiàn)PGA的配置和回讀是通過CSI_B，RDWR_B和CCLK來控制的。

4、程序步驟

在發(fā)送IPROG指令之前，將默認(rèn)的加載地址用熱啟動地址寄存器（Warm Boot Start Address，WB-STAR）中的新地址。

然后對ICAP核進行預(yù)配置。重載控制模塊在收到觸發(fā)信號后，第一個時鐘周期將ICAP核的RDWRB信號和CSIBCSIB信號置高，第二個周期將RDWRB信號置底，CE信號置高，第三個周期將RDWRB信號置底，CSIB信號也置底。

接著在下面的8個時鐘周期里，將指令隊列中的控制命令逐個發(fā)出。

運行工程，生成位流Bit，在約束XDC文件中添加壓縮等命令即可。

固化Mcs生成。Xilinx系列的FPGA需要將后綴名為mcs的內(nèi)存鏡像文件固化到外部配置存儲器中，F(xiàn)PGA上電后才能自動加載配置文件。一般的mcs文件只包含一個bit流文件，多重啟動的mcs固化文件包含多個bit流文件。在將多個bit流整合到mcs文件的過程中，需要指定每個bit流的起始地址，這樣FPGA專用配置邏輯才能根據(jù)地址找到對應(yīng)的bit流。在程序設(shè)計WBSTAR地址時，確定了Golden位流存儲的起始地址為0X00000000，Update位流存儲的起始地址為0X00800000，因此在將Bit整合到Mcs過程中需要指定對應(yīng)的存儲起始地址，否則就無法加載成功了。

在SPI的flash里燒寫有A和B兩個程序，F(xiàn)PGA上電后，自動加載A程序，根據(jù)外部給FPGA指示信號，F(xiàn)PGA自動切換加載B的程序，同時在B程序運行期間，根據(jù)外部給FPGA指示信號，F(xiàn)PGA自動切換加載A的程序。

原文標(biāo)題：FPGA中利用ICAP原語實現(xiàn)Multiboot功能

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