实验操作步骤说明siga-s16开发板之bootloader

1、Siga-S16 FPGA 开发板之 Bootloader 实验Rev. 1.00Rev1.001版本Rev1.002版本时间作者描述Rev0.012012-7-31LuoVer通过本篇，您可以了解如何编写Bootloader程序，了解PROM文件的生成及FPGA的SPI FLASH复用配置的方法。本文档分为以下几个部分：一、Bootloader 的原理二、Bootloader 引导程序的设计三、SPI FLASH 的 PROM 文件生成和Rev1.003一、Bootloader的原理先来说明一下Bootloader。 简单地说，BootLoader就是在应用程序运行之前运行的一段小程序。系统

2、在上电或复位时通常都从地址0 x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备，建立内存空间的图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为调用应用程序准备好正确的环境，并同时提供基本输入、输出系统功能和程序调试功能。在Siga-S16的FPGA开发板上，SPI Flash既用来保存硬件配置文件及Bootloader引导程序还需要用来保存用户的应用程序。在加载阶段，FPGA自动从SPI Flash中硬件配置bit文件及Bootloader程序进行配置到片内BRAM中运行。当完成加载后，FPGA逻辑启动，通过运行B

3、ootloader程序SPI Flash中的用户应用程序，并写到外部DDR2的相应位置，最后Bootloader程序切换指令指针到应用程序开始运行的指定位置，在外部的DDR2中开始执行应用程序。下图给出了本系统中复用SPI Flash系统结构图，Bootloader程序实现从SPI Flash中用户应用程序到DDR2中，然后在DDR2中运行。Rev1.004二、Bootloader引导程序的设计工程代码编写之前要求对硬件器件有所了解，主要需要了解FPGA所需要的配置文件空间，还有Flash到0 x结构。在本Siga-S16开发板中，SPI FF。其中Spartan6的配置文件大小为3FLASH

4、的容量为1Mbit，空间为从0 x00000714 312位，所以配置文件占用SPI FLASH的存空间用来存放应用程序代码。为了简单起见，储空间为从0 x00000到0 x715a1。剩余的FLASH在本实验中可以把应用程序的代码放置在0 x80000到0 xFF的SPI FLASH空间里。因为在本实验里bootloader的主要功能是从SPI FLASH中拷贝应用程序的代码到DDR2 SDRAM中，再将地址指针指向内存的应用程序址，使其从此处开始运行程序。应用程序是以SREC文件首先需要了解一下SREC文件格式。格式在SPI FLASH中的，在这里SREC文件格式SREC格式是一种FLAS

5、H格式的编程文件,全称Srecord,SREC格式是Motorola公司制定的一种烧写格式标准。SREC文件是描述地址与数据的文件,以下给出了SREC文件的具体格式.一个完整的MOTOROLA S-Record格式数据包含如下区域： 各字段的意思分别如下：标示的类型，该字段占据1-byte。它可以有如下数值：“S0”,“S1”,“S2”,“S3”,“S5”,“S7”,“S8”,“S9”。描述信息“S0”-“S1”,“S2”,“S3” -的数据。这三者的区别在于地址（address）的长度不同，S1为2-byte，S2为3-byte，以及S3为4-byte。 “S5”- 包含了“S1”, “S2

6、”, “S3”的信息。“S7”,“S8”,“S9” - 确定程序的开始地址。这三者的区别也在于（address）的长度不同，S9为2-byte，S8为3-byte，以及S7为4-byte。：标示了数据的长度，确切地说，是 , 和这三个字段的byte的个数。该字段占据1-byte。：标示了数据写入的起始地址。该字段的长度取决于的取值。：标示了的数据。该字段占据的byte个数可以这样计算：的值字段的长度（取值为2、3、4） - 1（字段的长度）。：标示校验位，占据1-byte。该数据可以由和的数据累加然后每 bit取反获得。以一条数据S30A格式作为例子：CFS3是的格式（）。Rev1.0050A

7、是长度（），为十六进制，标识有10个byte。因为两个十六进制才是1-byte，所以 CF的长度为10而不是20.换句话说，这数据列应该如此表示：80 10 00 9303 00 00 00 00 CF。因为type是S3，所以地址（）占4-byte，因此需要写入的地址为：0 x80100093。既然已经知道了地址，那么数据（）很显然就是0 x0300000000了。最后的1-byte就是校验位（）。例子数值由此得来：0 xFF - (0 x0A + 0 x80 + 0 x10 + 0 x00 + 0 x93 + 0 x03 + 0 x00 + 0 x00 + 0 x00 + 0 x00) &

8、 0 xFF)Bootloader程序编写在SDK的开发环境里在这里为Bootloader新建一个工程，操作方式如下图所示,菜单FileNewXilinx C Project在工程向导界面，红圈处输入项目名称，我将其修改为 Bootloader 工程模版。bootloader，红圈 2 处选择 SRECRev1.006选择an existing Board Support Package，如下图的红色圈圈部分。Rev1.007完成工程向导。回到开发环境后在工程窗口会出现bootloader的工程目录:因为要编写的是SPI FLASH的bootloader引导程序，跟用SDK的bootloade

9、r模版生成的有些不同。所以需要在工程里添加SPI FLASH相关的.c程序和.h头文件,并删除一些不需要的程序文件。添加和删除后的程序文件如下：下面对这些程序作简单的说明；三个.c的程序文件：Bootloader.cmand.c Srec.c-为bootloader主程序。 SPI FLASH的读驱动程序。SREC文件格式的程序。三个.h的头文件：mand.h Srec.h Xps_spi_drives.h-定义mand.c中使用的宏。定义bootloader.c 和srec.c中使用的宏和类型。定义SPI接口的函数和宏。一个.ld的连接文件： Lscript.ld-此文件不用修改，模版已经定

10、义bootloader的代码及数据都在FPGA的BRAM中运行。Rev1.008接下来，来编写修改程序，在每个程序的代码中我已经添加了中文说明，大家很容易了解每部分程序的功能。我在这里不再对代码作详细介绍。先来修改bootloader.c文件，此程序实现从SPI FLASH中拷贝应用程序代码到DDR2 SDRAM中，再开始运行应用程序。修改后的程序如下：Rev1.009Rev1.0010接下去编写mand.c文件，在这程序中主要实现SPI接口的初始化及FLASH的读操作。编写好后的程序如下：Rev1.0011接下去修改srec.c文件，此程序对从SPI FLASH读出的srec格式的一行数据进

11、行到地址，数据，长度等信息。修改好后的程序如下：，得Rev1.0012Rev1.0013Rev1.0014再来编写下：mands.h头文件，此文件中定义了SPI FLASH的相关信息。编写后的文件如Rev1.0015再修改srec.h头文件，此头文件中定义了srec.c和bootloader中所需要用到的常量和数据类型的相关信息。修改后的文件如下：Rev1.0016最后编写xps_spi_drives.h头文件，此头文件中定义了对SPI接口的操作函数和一些常量定义。修改后的文件如下：Rev1.0017到这里所有的程序都编写完成了，先保存工程再编译一下。没有问题就可以进入下一步FLASH的配置和

12、程序的调试了。三、SPI FLASH的PROM文件生成和在这一节，需要把FPGA的硬件比特流配置文件和应用程序的代码合并成一个SPI Flash的文件。在这里需要做以下几个步骤来实现：1.2.把应用程序转换为srec代码格式文件。把bootloader程序初始化到Microblaze系统的BRAM中，再生成FPGA最终的比特流配置文件 download.bit。3.4.合并这两个文件(download.bit和应用程序的srec文件)为一个SPI FLASH MCS文件到SPI FLASH中。的MCS文件。下面我对上面的这四个步骤逐一做一个讲解：把应用程序转换为srec代码格式Rev1.001

13、8这里选用在“Siga-S16 开发板之LED实验”一文中的LED测试程序o_led作为本次实验的应用程序。把LED测试程序转换成Srec格式的方法如下：在SDK开发环境选择菜单Xilinx Tools - Program Flash在弹出的Program Flash Memory框的ImageFile一栏中选择o_ledDebug目录下的o_led.elf文件，再选中”ConverFtobootloadableSRECformatandprogram”。在Console窗口会显示生成srec文件的信息及其放置的目录。Rev1.0019把bootloader程序初始化到Microblaze系统

14、的BRAM中，再生成FPGA最终的比特流配置文件。在EDK开发环境选择菜单Project - Selecf File.。在弹出的Selecf file框的Choose Implemenion ElfFile一栏中选择bootloaderDebug目录下的bootloader.elf文件, 再选OK完成。这时bootloader程序已经加到BRAM中，需要在EDK重新生成硬件比特流文件。选择EDK菜单的Device Cinfiguration - Update Bitstream 开始生成download.bit后的信息在Console窗口显示如下：文件。生成完成Rev1.0020其中这个生成的

15、download.bit文件是存放在EDK工作目录的implemenion的文件夹里。合并这两个文件(硬件比特流文件和应用程序的srec文件)为一个SPI FLASH的文件。打开Xilinx ISE界面：DesignSuite13.1ISEDesignToolsTools下的iMPACT，打开后显示如下选择Preparea PROMFile这一项后点击OK。再在下图弹出的PROMFile Formatter界面中的三个Step依次选择如下：图中的为输入将要生成PROM的文件名，我这里已经把它改名为Boot_Led_Test。上图的处Rev1.0021要选Yes，因为除了硬件配置文件外，还要添加

16、LED测试的应用程序代码。点击OK后弹出AddDevice文件的消息窗口，直接点击OK。在之后弹出的Add “打开”按钮。Device文件的窗口选择前面在EDK中生成的download.bit文件，再点击在之后弹出的AddDevice文件的消息窗口，直接No。在之后弹出的AddData文件的消息窗口，选择Yes。Rev1.0022在之后弹出的Revi窗口输入需要放置Data文件的起始地址，因为硬件配置比特流文件占用00 x715A0,所以把应用程序的代码放置在起始地址为0 x80000的地方。在之后弹出的Add Data文件的窗口选择击“打开”按钮。前面在SDK中生成的应用程序的srec格式文

17、件，点在之后弹出的Add Data文件的消息窗口，选择No。程序会弹出FLASH ROM的地址分配列表，这里不需要修改，点击OK完成。Rev1.0023ISE iMPACT界面显示如下SPI FLASH配置完成后的空间分配示意图。因为o_led的应用程序很小，它只占用了很小的FLASH空间。双击ISE iMPACT左边iMPACT Proses界面的“Generate File.”，生成MCS文件。MCS文件生成成功后在界面会显示“Generate Succeeded” 的信息。Rev1.0024编程MCS文件到SPI FLASH中对SPI FLASH进行编程时，首先要把开发板上的拨码开关设置

18、为M0:ON, M1:Off，MASTER SPI MODE。如果你已经连接了器。可以使用 ISE iMPACT 来检测一下 JTAG 的连接，双击 iMPACTFlows 界面下的 Boundary Scan 选项：再在 Boundary Scan 界面上右击鼠标，选取 InitializeChain 选项：如果出现以下的界面说明已经检测到 JTAG 链的 FPGA。选择框的 No 按钮：Rev1.0025双击下图红圈处的 SPI/BPI 接口，添加 SPI FLASH 的编程文件，在弹出的 Add PROM File 窗口选中刚刚生成的 Boot_Led_Test.mcs 文件，.然后点击打开：Rev1.0026在弹出的 Selectached SPI/BPI 界面中选择正确的 SPIFLASH 型号 M25P80,然后点击 OK.现在界面上 FPGA 的 SPI 接口上会出现 FLASH 的图示:只要选中 FLASH 图标，然后右击选择 ProgramRev1.0027在接下来弹出的 Device FLASH 进行编程了。ProgrammingP