基于Xilinx-Spartan6 FPGA的MultiBoot设计的实现

1万 · 2012-8-7 18:57

Xilinx公司出品的Spartan6系列FPGA所具有的MultiBoot特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，有选择地从存储于Flash中的多个配置文件中加载其中的一个，对FPCA在系统重配置，实现不同的功能。MultiBoot特性使得用户可以在某些场合选择较少逻辑资源的Xilinx FPGA，实现需要较大逻辑资源且较昂贵的FPGA或ASIC才能实现的功能，从而提高器件利用率及系统安全性、降低系统成本。
1 基本概念
Spartan-6 FPGA在上电时从片外Flash加载mcs文件进行配置。根据所包含的bit流文件的个数，mcs文件分为两类：一类是南单bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件中只包含一个bit流文件，用此类mcs文件配置FPGA时，只能实现一种功能；另一类是由多个bit流文件生成的mcs文件，即该mcs文件包含多个bit流文件。用此类mcs文件配置FPGA时，可根据需求有选择地加载其中的某个bit流文件对FPGA进行系统重配置，即MultiBoot特性。
Spartan-6 FPGA拥有专用的MultiBoot逻辑配置模块，来实现MultiBoot和Fallback操作。MultiBoot操作是在各配置bit流文件能正常加载的前提下，通过ICAP设置配置模块中的相关寄存器并触发IPROG命令，实现在不同配置bit流文件中的切换，达到FPGA实现不同功能的目的。Fallback操作是在从配置A切换到配置B的过程中出错时，用另一个比较“安全”的bit流文件代替配置文件B配置FPGA的操作。这个比较“安全”的bit流文件称为Golden。
FPGA的重配置操作，是通过专用的ICAP_SPARTAN6原语向配置模块发送IPROG命令来实现的。重配置操作可由FPGA外部的处理器、微控制器、计算机和按键等“智能”终端触发。在应用设计中，只需在每个应用程序中例化一个ICAP_SPARTAN6原语来实现相关命令序列即可实现MultiBoot特性。

1万 · 2012-8-7 18:57

Spartan6的多bit流配置可通过SPIx1，x2，x4及BPI模式实现，文中只介绍基于SPI模式的MultiBoot特性的实现，用配置文件代替应用程序。
2 MultiBoot操作相关寄存器简介
(1)所有Spartan-6 FPGA的bit流控制命令都是通过读写相关配置寄存器实现的。配置数据都是16位宽的字，也有一些数据是多字的，配置数据包含的3个主要命令如表1所示。

(2)所有的操作数据可分为两种：
TYPE1包含两部分：Header，Data。
TYPE2包含3部分：Header，Word Count，Data。
用TPYE1就能实现MultiBoot和Fallback操作，故只介绍TYPE1。TYPE1的Header是个16位字，用其中6位表示相关寄存器的地址，如表2所示。

1万 · 2012-8-7 18:58

。

其中Operation位[12：11]是表1中所列的操作码，寄存器地址[10：5]如表4所示，字节数[4：0]表示操作所需的字节数。

1万 · 2012-8-7 18:58

TYPE1的数据部分形式如表3所示。

1万 · 2012-8-7 18:58

(3)Spartan-6 FPGA的MultiBoot常用配置寄存器及功能列表如表4所示。

1万 · 2012-8-7 18:58

寄存器功能介绍：
1)命令寄存器CMD。命令寄存器CMD存储配置控制命令，以产生全局信号执行其配置功能。在MultiBoot操作中，常用的CMD命令如表5所示。

2)General寄存器。触发IPROG命令后，General1、General2中存放用于对FPGA进行重配置的下一个bit流文件的地址，其中General1存放地址的低16位，General2的高8位存放SPI操作码，低8位存放地址的高8位。General3、General4存放FMlback时的配置文件地址，其中Gener al3存放低16位地址，General4的高8位存放SPI操作码，低8位存放地址的高8位。General5中存放MultiBoot或Fallback时的用户自定义数据。

1万 · 2012-8-7 18:58

3)模式寄存器MODE_REG。MODE_REG模式寄存器主要用于重配置时的一些模式设置，如SPI总线的位宽。模式寄存器中各位的功能如表6所示。MultiBoot和Fallback操作需对[13：8]进行相应设置。

4)控制寄存器CTL、配置选项寄存器COR2。因CRC校验错误也可能触发Fallback操作，因此为安全起见，如果可能发生CRC校验错误，需将CTL寄存器的CRC_EXTSTAT位清零，使能CRC校验，并将COR2寄存器的RESET_ON_ERROR置1，使能CRC错误时的Fallback操作。但如果能确定不发生CRC错误，可不设置这两位。

1万 · 2012-8-7 18:59

3 MultiBoot原理
如上所述，Spartan-6 FPGA内置有专用的MultiBoot逻辑控制模块，来实现MultiBoot(IPROG)和Fallback操作。当触发Fallback或IPROG时，片内会产生一个复位脉冲，使片内配置逻辑复位，但不会使专用的MultiBoot逻辑和BOOTSTS、MODE、G1-G5复位。
实现MultiBoot特性时，存储器中的配置文件组织模式如图1所示。

1万 · 2012-8-7 18:59

如图1所示，第一部分是Header，这个小的bit文件中包含同步字、下一个配置文件的地址以及IPROG命令。此段必须位于Flash存储器中的0地址处。该部分可由命令文件生成。第二部分是MultiBootBitstream，由用户的多个bit流配置文件组成，其地址可在生成mcs文件时指定到符合Flash操作要求的任何地方。进行MultiBoot操作时只需通过ICAP向MuhiBoot逻辑控制模块发送IPROG命令，之后控制模块就会根据Gene ral1、General2指定的地址，加载下一个需要的配置文件。第三部分是Fallback或Golden配置文件，地址可由General3、General4指定。
Header、MultiBoot配置文件、Fallback配置文件在加载过程中，如果出错，FPGA会根据相应寄存器的值，从配置文件的起始地址重新加载3次，加载次数的计数保存在BOOTSTS寄存器的[15：12]位，名称为strike。
Header在加载过程中分配有3个strike计数值：6、7、8。当检测到CRC错误，且RESET_ON_ERROR为1、strike<9，则strike计数器加1，并重新开始配置过程。若看门狗计时器超时也会触发相同操作，但此时会忽略RESE_ON_ERROR的状态。若strike等于9，则停止配置，且将INIT和DONE引脚拉低。

1万 · 2012-8-7 18:59

MultiBoot配置文件在加载过程也分配有3个strike计数值：0、1、2。当在加载过程检测到错误时，如果strike<3且RESET_ON_ERROR为1，则strike计数器加1，且从General1、General2指定的地址处重新加载配置文件。若strike计数器等于3，则触发Fallback操作。
Fallback或Golden配置文件在加载过程也分配有3个计数值：3、4、5。当在加载工程中检测到错误时，若strike计数器值<6，则strike计数器加1，并从General3和General4指定的配置文件地址处重新加载配置文件。若strike计数器为6，则从0地址处加载Header配置文件。此时，FPGA会执行循环加载过程：Header→MultiBoot→Fallback(或Golden)→Header，每次循环都会使strike计数器加1，最多3次。若其间某
个配置文件加载成功，则停止循环，否则直到strike计数为9，停止加载过程。Strike计数器只能通过复位或重启系统清零。
Fallback是一种出于安全性考虑的操作。一旦该操作被触发且加载Golden成功，若再想退出Golden加载其他用户配置文件，只能复位FP GA或重启系统。

1万 · 2012-8-7 18:59

4 MultiBoot实现简例
实现MultiBoot操纵有两种方法：(1)基于ICAP的寄存器编程实现。(2)通过在生成bit流文件时，设置相关选项实现。
4．1 基于ICAP的寄存器编程实现
如上所述，通过ICAP_SPARTAN6原语发送IPROG命令，其发送命令序列如下：(1)发送同步字。(2)配置General1-General4，指定相关操作所需配置文件地址及操作码。(3)发送IPROG命令。ICAP_SPARTAN6原语接口定义如表7所示。

1万 · 2012-8-7 18:59

在主SPI模式下，ICAP_SPARTAN6的输入数据在从总线I[15：0]输入前，要进行字节范围内的位交换，即16位宽的字分为高8位1 Byte，低8位1 Byte，各字节的最高位[7]和最低位[0]交换，位[6]与位[1]交换，其他以此类推。
通过ICAP触发IPROG的命令序列举例如表8所示。

IPROG命令后需经过一段时间后，FPGA内部才会产生相应的重配置信号，因此在IPROG命令后需跟几个空操作命令，一般为4个。GENERA L2、GENERAL4中的操作码：0x0B、0x3B、0x6B分别为SPIx1、SPIx2、SPIx4。

1万 · 2012-8-7 18:59

ICAP逻辑模块是FPGA中的专有逻辑模块，因此在生成bit文件的各源文件中必须都实例化一个ICAP模块。一般情况下对ICAP模块的控制操作通过状态机实现。
4．2 选项设置实现
实现MultiBoot功能所需配置的所有寄存器，均可在生成bit文件时通过添加相关的生成设置选项实现。在进程菜单中单击Generate Pro gramming File，选择Process Properties，弹出配置窗口如图2所示。

1万 · 2012-8-7 19:00

5 结束语
介绍了实现MultiBoot操作的两种方式，一种是基于ICAP的寄存器编码配置方式。可通过源代码中的注释，使后续开发维护人员阅读代码、扩展功能时思路清晰，缺点是需编写大量代码，并需对ICAP的操作与命令序列有一定了解。第二种通过在生成bit文时添加相关设置选项实现，方便简单，但需大量的文本注释，以便后续的开发与维护。当然，实际的应用开发过程中可同时使用这两种方法，实现更高效便捷的编码开发。

只看该作者 · 2012-8-7 19:20

不错的

只看该作者 · 2012-8-7 19:20

想楼主致敬！

只看该作者 · 2012-8-8 09:34

非常不错

只看该作者 · 2012-8-8 13:14

我们提供的multiboot 设计中只是针对远程加载失效时候有一个golden image做备份。其实没有真正做到在不同的bit流之间做切换。设计中得状态机其实也就是在备份和user bit流间切换，没有做到在不同的user bit流间切换。这个与RS select有点类似。

只看该作者 · 2013-2-4 10:46

你好这里我想问问
对于在header image multiboot中的切换 strike的值是这样分配的吗？
我看spartan-6的配置手册应该没有这样提到分配给哪三个值只是说每个状态计数三次
如果是按照上述分配那么对于刚开始加载最先是从header开始，此时 header是分配什么值呢？
因为一开始的0,1,2分配给了multiboot 可是从prom加载时先从multiboot开始的,是否会给最初的header分配值呢？
麻烦指教

只看该作者 · 2013-2-5 23:46

我用Spartan-3AN系列实现过这个，主要就是靠一个ICAP。

基于Xilinx-Spartan6 FPGA的MultiBoot设计的实现

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