FPGA 设计的快速启动方法与远程更新（二）
前言：本文我们介绍QickBoot实现细节，主要包括BPI和SPI配置模式下关键字含义及配置作用，以及远程升级如何规划Flash各个扇区功能，并给出BPI和SPI模式下Flash扇区规划示例。
1、 关键字(Critical Switch Word)
FPGA 嵌入式系统中 “快速启动（QuickBoot）” 功能的实现依赖于以下要素：
（1）关键开关字(Critical Switch Word)
（2）闪存概览与 QuickBoot 闪存组件映射
（3）比特流镜像大小与闪存大小选择
（4）配置时间
（5）QuickBoot 更新镜像验证
1.1 关键开关字定义及配置流程中的作用
关键开关字是一个特殊的字值。只有当关键开关字的存储位置包含一个精确的、预先确定的值时，该开关才会被视为处于开启（ON）状态。是否存在这个精确的关键开关字值，决定了 FPGA 配置逻辑是否执行热启动跳转序列。
要理解关键开关字的工作原理及其特殊的 “开启（ON）” 值，需要对 FPGA 比特流以及 FPGA 的内置配置逻辑有深入的了解。
（1）Xilinx FPGA 比特流文件（.bit）的内部结构
图1：Xilinx FPGA 比特流文件（.bit）的内部结构
Xilinx FPGA 比特流文件通过由一系列 32 位字组成，由 Xilinx 设计工具生成的所有比特流，均按顺序由以下部分组成：总线宽度自动检测字、同步字、FPGA 配置的数据数据包 。
总线宽度自动检测字：FPGA 在 BPI 和 SelectMAP 模式配置开始时，使用该字来自动检测并行配置数据总线的宽度。
同步字：用于标记比特流的开始，并将配置逻辑与同步字之后的数据包的 32 位边界进行同步（适用于所有配置模式）。
包头字 ：指定寄存器地址和数据字计数，用于将数据写入寄存器。
包命令或数据字 (Packet command or data words)：属于每个数据包的一部分。
1.2 BPI 模式下如何识别关键开关字
BPI 模式下利用 “总线宽度自动检测模式” 作为 “关键开关字” 来启动配置流程：当 FPGA 从 BPI 闪存读取数据时，FPGA 配置逻辑会一直停留在第一阶段，直到在其D[0:7] 引脚上从总线宽度自动检测模式的第一个字中检测到 （0x000000BB）即为 QuickBoot 方法的关键开关字。就 QuickBoot 关键开关字而言，FPGA 配置逻辑的后续阶段只有在找到总线宽度自动检测模式之后才会被 “开启（ON）”。
1.3 SPI 模式下如何关键开关字
在 SPI 模式下，FPGA 不使用总线宽度自动检测逻辑，当 FPGA 从 SPI 闪存读取数据时，FPGA 配置逻辑会一直停留在第一阶段，监控传入的数据以寻找同步字 0xAA995566，从而将自身与传入比特流的 32 位字边界进行同步。对于SPI模式配置，同步字即为 QuickBoot 方法的关键开关字，FPGA 配置逻辑的后续阶段只有在找到同步字之后才会被 “开启（ON）”。
表 1 总结了在每种配置模式下，使关键开关字处于 “开启（ON）” 状态的确切数值。
表1：BPI和SPI配置模式关键字ON值
注意：由于存在位和字节的交换（bit and byte swapping），BPI 闪存十六进制数据（MCS）文件中的关键开关字在文件内部显示为 0x0000DD00。
2 、 QuickBoot 如何规划和利用闪存
QuickBoot 闪存编程算法的实现需要了解 NOR 闪存的架构和操作。特别是，必须将QuickBoot闪存组件映射到特定的闪存区域，并且必须将 QuickBoot算法流程映射到这些特定区域可用的闪存操作上。
2.1 NOR Flash架构以及基本读写操作
NOR 闪存包含一个由数据字或数据字节组成的线性阵列。该线性阵列被分割为可擦除的块（Block）或扇区（Sector）。对于某些 NOR 闪存，扇区还会被进一步分割为子扇区（Subsectors）。有关各分段及其大小的信息，请参阅相应的 NOR 闪存数据手册。
使用新数据值对 NOR 闪存进行重编程（Reprogramming）需要一个两步过程：
（1）擦除操作 (Erase operation)：将所选分段的所有数据位重置为1状态。
（2）编程操作 (Program operation)：仅将数据位从1状态更改为0状态。
擦除操作可以在块、扇区或子扇区上执行。也就是说，指定分段内的所有数据字或字节都会通过每次擦除操作被擦除。编程操作则可以针对单个字或字节执行。注意： 通常为了提高速度，每次编程操作都会对一个字缓冲区（buffer of words）或一个字节页（page of bytes）进行编程。
2.2 QuickBoot 组件在闪存中的布局策略
由于修改闪存需要执行擦除操作，且擦除操作会影响整个闪存分段，因此闪存分段架构决定了 QuickBoot 组件在闪存中的布局方式：
图2：QuickBoot 组件在闪存中的布局方式
（1）QuickBoot 头文件按以下顺序放置：
a. QuickBoot 头文件第 1 部分（即关键开关字）放置在其独立的可擦除分段中；
b. QuickBoot 头文件第 2 部分紧随第 1 部分之后，但位于与第 1 部分不同的闪存分段中。
（2）黄金比特流镜像 (Golden bitstream image)：紧随 QuickBoot 头文件之后，位于闪存阵列中。
（3）更新比特流镜像 (Update bitstream image)：放置在其独立的可擦除分段中。更新镜像与黄金比特流镜像不共享任何可擦除分段。
关键开关字被放置在其独立的可擦除分段中，这样擦除操作只会影响关键开关字。同样，更新镜像被放置在其独立的分段中，这样重编程过程就不会影响黄金比特流镜像。
2.3 QuickBoot 组件BPI闪存映射示例
图3 展示了基于 Micron P30 闪存的 QuickBoot 解决方案中，BPI 闪存内容的详细映射图。关键开关字位于第一个可擦除块的末尾，该块大小为 65,536（0x00010000）个 16 位字。该图展示了更新比特流 “完好” 和 “损坏” 的示例。
图3：QuickBoot BPI 闪存映射（含更新镜像完好与损坏的情况）
对于更新成功（good update）的示例，关键开关字位置包含第一个总线宽度自动检测字（0x000000BB）。在此情况下，FPGA 配置逻辑执行以下序列：
（1）开始总线宽度自动检测序列；
（2）执行紧随其后的 QuickBoot 头文件第 2 部分中的热启动跳转序列；
（3）最后加载更新比特流。
对于更新失败（bad update）的示例，关键开关字位置不包含第一个总线宽度自动检测字。因此，在此情况下，FPGA 配置逻辑执行以下序列：
（1）继续搜索总线宽度自动检测字，忽略 QuickBoot 头文件的第 2 部分。
（2）找到位于黄金比特流开头的标准总线宽度自动检测字。
（3）最后加载黄金比特流。
更新比特流位于其自身的一组可擦除块内。更新比特流的起始位置对齐到其第一个可擦除块的开头，即字地址 0x00100000。注意： 特定实现中更新比特流镜像的地址可能与图 3 所示的不同，因为更新镜像的位置取决于比特流的大小。
2.4 QuickBoot 组件SPI闪存映射示例
QuickBoot 组件到 SPI 闪存的映射与 BPI 闪存的映射类似，唯一的区别在于关键开关字。在 SPI 模式下，FPGA 配置逻辑跳过了总线宽度自动检测阶段，而是直接开始搜索同步字（Sync word）。因此，QuickBoot 头文件中省略了总线宽度自动检测字，并且针对 SPI 闪存的 QuickBoot 头文件以同步字作为关键开关字开始。
图4：QuickBoot SPI 闪存映射（含更新镜像完好与损坏的情况）
图 4 展示了基于 Micron N25Q 闪存 QuickBoot 解决方案中,SPI 闪存内容的详细映射图。关键开关字位于第一个可擦除子扇区（sub-sector）的末尾，该子扇区的大小为 4,096（0x00001000）个 8 位字节。
对于更新成功（good update）的示例，关键开关字位置包含正确的同步字（0xAA995566）。因此，在此情况下，FPGA 配置逻辑执行以下序列：
（1）在关键开关字位置进行同步;
（2）执行紧随其后的 QuickBoot 头文件第 2 部分中的热启动跳转序列;
（3）最后加载更新比特流。
对于更新失败（bad update）的示例，关键开关字位置不包含有效的同步字。因此，在此情况下，FPGA 配置逻辑执行以下序列：
（1）继续搜索同步字，忽略 QuickBoot 头文件的第 2 部分；
（2）找到位于黄金比特流开头的标准同步字；
（3）最后加载黄金比特流。
更新比特流位于其自身的一组可擦除块内。更新比特流的起始位置对齐到其第一个可擦除块的开头，即字节地址 0x00200000。注意： 特定实现中更新比特流镜像的地址可能与图3 所示的不同，因为镜像更新的位置取决于比特流的大小。
欢迎关注FPGA技术实战公众号，喜欢就多多转发吧!