NiosIIBoot分析Word文件下载.docx

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2.2

从外部CFI并行Flash中Boot

这种Boot方式还可以分为2种情况：

（1）程序直接在Flash中运行：

这种情况程序不需要另外的Bootloader，NiosII复位时从reset地址（指向Flash内部）开始执行程序，程序必须有启动代码用于搬移.rwdata段（因为.rwdata段是可读写的，不能存放在Flash中），同时如果.rodata段和.exceptions段连接时没有指定在Flash中的话，也会被搬到RAM中，并对.bss段清零，设置栈指针。

这些工作都在Crt0.s中完成。

（2）程序在RAM中运行：

这种情况下需要有一个专门的Bootloader，它把存放在Flash中的各个程序段搬到执行时的真正位置。

3、从EPCS中Boot

要支持NiosII从EPCS中Boot，首先FPGA器件要支持主动串行配置。

Altera的Cyclone、CycloneII和StratixII系列的FPGA支持AS配置。

直到NiosII5.1版本，NiosII从EPCS中Boot在StratixII系列的FPGA上实现上仍有问题。

所以这种方式主要用于Cyclone和CycloneII系列的器件。

为实现这种Boot方式，用户必须在SOPCBuilder中添加一个EPCS控制器，无须给它分配管腿，QuartusII会自动将它分配到专用管腿上。

添加完EPCS控制器后，SOPCBuilder会给它分配一个BaseAddress，这个地址是EPCS控制器本身携带的片上ROM在NiosII系统中的基地址，里面存有Bootloader代码，用于引导整个过程。

所以，必须在SOPCBuilder的“NiosIIMore‘CPU’setting”页表中把reset地址设置为这个基地址，使得NiosII复位后从这个地址开始执行以完成整个引导过程。

3.1

EPCS控制器的Bootloader分析

EPCS控制器带有一块片内ROM，内有Bootloader代码，NiosII就靠这段代码完成Boot过程。

它把EPCS里的NiosII程序映像复制到RAM中，然后跳转到RAM中运行。

程序映像是由elf2flash输出的，Bootloader对被搬运的程序映像的位置和结构的解读必须和elf2flash工具一致。

FPGA配置数据从EPCS中偏移为0的地址开始存放，紧挨着配置数据的是一个32位的整数，指示程序段的长度，接着是一个32位的地址，指示程序段执行时该程序段的地址，把这个长度和地址一起称为“程序记录”，“程序记录”随后就是程序段映像。

一个程序可能有多个程序段，也就可能有多个“程序记录”和程序段映像。

Bootloader必须知道FPGA配置数据的长度以读取配置数据后面的内容，不同型号的FPGA的配置数据长度不同，必须读取配置数据的头部信息以获取配置数据的长度，进而逐个读取程序段映像的长度和运行时地址，然后把程序段映像搬到目的运行时地址。

为了存取EPCS，Bootloader构造了一些位置无关汇编代码。

EPCS存贮布局如下所示：

当Bootloader读取到L时，L＝0表示前面所有的程序记录已经处理完毕，这是最后一个程序记录，直接跳到地址A执行，显然A必须是程序的入口地址。

如果L＝0xffffffff（即-1），忽略A并停机，这样即使是一个只有FPGA配置数据而没有程序的EPCS也是安全的。

当一个EPCS只有配置数据而没有程序的时候，sof2flash会在配置数据的末尾增加4个字节的0xff使Bootloader不会有误动作。

Bootloader工作流程如下：

3.2

EPCS控制器

EPCS控制器手册没有对EPCS进行详细的说明，只是建议用户使用Altera的HAL函数来存取。

EPCS控制器由两个独立的部件构成：

（1）ROM：

大小是512Bytes，也就是128WORDS。

尽管EPCS控制器手册表述了ROM的大小是1K字节，但实际上直到NiosII5.1EPCS控制器的ROM仍然是512Bytes，因此手册中给出的寄存器偏移地址都需要修正。

（2）SPIMaster控制器：

EPCS串行存贮器的接口符合SPI标准。

NiosII可以通过SPIMaster来存取EPCS串行存贮器。

上述两个部件的地址（从NiosII角度看，以字节为单位）安排如下：

偏移地址

寄存器

R/W

位描述

31..0

0x000

BootROMMemory

BootLoaderCode

epcs_controller_boot_rom.hex

orepcs_controller_boot_rom.dat

0x004

…

0x1FC

0x200

RxData

31..8（NotImplemented）

RxData（7..0）

0x204

TxData

TxData（7..0）

0x208

Status

31..11

EOP

RRDY

TRDY

TMT

TOE

ROE

0x20C

Control

IEOP

IRRDY

ITRDY

ITOE

IROE

0x210

Reserved

0x214

SlaverEnable

31..16

SS_15

SS_14

SS_13

SS_3

SS_2

SS_1

SS_0

0x218

EndofPacket

Endofcharacter（7..0）

RxData寄存器：

NiosII从RxData寄存器中读出从EPCS中接收到的数据。

当接收移位reg收到满8位数据时，statusRRDY位被置1，同时数据被传入RxData寄存器。

读取RxData寄存器会把RRDY位清掉，而往RxData写则没有影响。

TxData寄存器：

NiosII把要发送的数据写到TxData寄存器。

StatusTRDY位置1表示TxData寄存器准备好接收来自NiosII的新数据。

TxData被写了之后，TRDY位被置0，直到数据从TxData转移到发送移位寄存器又会被重新置为1。

status寄存器：

包含指示当前状态的位。

几乎每一位都和control的一个中断允许位相关。

NiosII任何时候都可以读取status寄存器，不会影响该寄存器的值。

往status寄存器写将清除ROE，TOE和E这些位。

下表描述了各个位的含义：

位

名称

含义

接收溢出错误。

当RxData寄存器数据满的时候（RRDY为1），接收移位寄存器又往RxData寄存器写，那ROE位将被置1，而新的数据会覆盖老的数据。

往status寄存器写可以把ROE位清0。

发送溢出错误。

如果TxData寄存器数据还没有被转移到发送移位寄存器（TRDY为0），又往TxData寄存器写，那TOE就会被置为1，新的数被忽略。

往status寄存器写可以清TOE为0。

发送移位寄存器空。

如果一个发送过程正在进行中，那TMT为0；

如果发送移位寄存器为空，则TMT为1。

发送器准备好接收新的发送数据。

当TxData寄存器空的时候，TRDY为1。

接收器准备好送出接收到的数。

当RxData寄存器满的时候，RRDY为1。

有错误产生。

它是TOE和ROE的逻辑或。

只要TOE或ROE中有一个为1，那它也为1。

它给程序提供了一个判断有错误发生的方便的途径。

往status寄存器写可以把E位清0。

包结束标志。

该标志在下列情况下被置1：

1.一个EOP字节被写入TxData寄存器

2.一个EOP字节从RxData寄存器中读出

EOP字节是EndofPacket中的EndofCharacter字节。

往status寄存器写可以把EOP位清0。

control寄存器：

控制SPIMaster的操作。

NiosII可以在任何时候读取control寄存器而不改变它的值。

大部分control的位（IROE，ITOE，ITRDY，IRRDY和IE）控制status相应位的中断。

比如：

当IROE设为1，就允许当statusROE为1时产生中断。

只有当control和stauts中的相应位都为1时，SPIMaster才会产生中断。

允许ROE条件满足时产生中断。

允许TOE条件满足时产生中断。

允许TRDY条件满足时产生中断。

允许RRDY条件满足时产生中断。

允许E条件满足时产生中断。

允许EOP条件满足时产生中断。

SSO

强制slaveenable寄存器器中为1的位对应的ss_n有效，即输出电平0。

slaveenable寄存器：

它的某一位置1表示相应的ss_n信号可以被驱动有效（即在control中写SSO位为1，或者有数据写入TxData寄存器准备开始传送数据）。

slaveenable寄存器可以多位为1，但是需要有其它逻辑来处理多个SPIslave的冲突问题。

EndofPacket寄存器：

包含EndofCharacter，当某一Avalonmaster读出的RxData字节和EndofCharacter一样，或者写入TxData的字节和EndofCharacter一样时，SPIMaster产生EOP标志。

如果该Avalonmaster支持endofpacket信号，则会中断传输。

EPCS控制器在实例化SPIMaster时使用下列参数：

数据位8位；

SPI时钟SCLK频率20MHz；

MOSI（ASDO）在SCLK下降沿输出；

MISO（DATA0）在SCLK上升沿采样；

SCLK初始相位为0；

MSB先输出，LSB后输出；

目标延迟100us（即ss_n输出为低到SCLK开始驱动输出时钟脉冲的延迟为100us）。

3.3

EPCS串行存贮器件

Altera器件手册对EPCS器件有完整清楚的表述。

在readbyte，readstatus和readsiliconID操作时，发出命令后，所要的数据会马上从EPCS的DATA管腿移出。

所以EPCS控制在发出命令后继续发送虚拟数据（比如0或随便什么值），在发送虚拟数据的同时接收EPCS送出的数据，就可以获取所要的数据。

SPI接口的发送和接收是同时的，为了接收数据，你必须发送点什么，尽管这些数据是对方不需要的，同样在你发送命令或数据的同时也会收到点什么，尽管这些也不一定是你需要的。

4、从并行Flash中Boot

4.1

并行Flash配置控制器

NiosII应用常常把NiosII程序和FPGA配置数据都存放在Flash中，这就需要一个配置控制器来驱动Flash输出配置数据完成FPGA的配置，配置控制器可以用一片CPLD来实现。

Flash除了可以存贮FPGA配置数据和NiosII程序外，还可以存贮其它数据（如只读文件系统）。

Flash中的配置数据区还可以分为两个区：

一个用于用户逻辑，另一个用于出厂逻辑。

当用户逻辑配置失败后，就会自动使用出厂逻辑，保证任何时候都有一个配置可以工作。

另外，配置控制器还可以接收来自NiosII的重配置请求，并驱动FPGA重新配置，完成FPGA的现场升级。

Stratix开发板的配置控制安排偏移量为0的地方存放NiosII程序，而FPGA用户配置逻辑从偏移量0x600000开始，出厂配置则从偏移量0x700000开始。

Stratix开发板的并行Flash配置控制器实际上是一个地址序列生成器，地址生成器的输入时钟是板上时钟的4分频（如：

板上晶振时钟是50MHz，地址生成器时钟就是12.5MHz）。

上电时，由上电复位芯片提供的复位信号复位，地址生成器初始化为用户逻辑的配置数据的偏移量（比如Stratix板是0x600000），然后开始计数并驱动地址由低往高增长，使Flash送出对应地址的配置数据。

配置控制器监测FPGA的config_done信号，一旦发现FPGA配置完成就停止计数，并置Flash的地址和其它控制线为高阻，以免影响NiosII对Flash的操作。

FPGA配置完成后，内部逻辑开始生效，复位NiosII，NiosII开始从reset地址执行程序。

4.2直接在Flash中运行程序

嵌入式应用有时希望程序能够直接在Flash中运行，以节约RAM空间，降低成本。

为了使程序直接在Flash中运行，可以在SOPCBuilder中设置reset地址在Flash中，连接程序时可以指定程序的.text段和.rodata段存放在Flash中，而让.rwdata和堆栈放在RAM中（这两个段可读写，不能放在Flash中），同时还可以在SOPCBuilder中指定exception地址到Flash中，也可节约一点RAM空间。

由于最后的Flash映像文件.flash文件（.flash文件其实是.srec格式的文件）中没有.bss段，程序开始时必须在RAM中建立.bss段并将其清0，同时也把.rwdata段从Flash中拷贝到RAM中（.rwdata段在程序运行时必须在RAM中），并设置栈指针，建立好C程序的工作环境然后调用C入口函数alt_main。

这些都是由Crt0.s完成的。

下面是Crt0.s在Flash中运行的工作流程：

4.3

在RAM中运行程序

程序在Flash中运行通常比在RAM中慢，所以有时也希望程序能够在RAM中运行。

NiosII的reset地址仍然指向Flash中（reset地址不能指向RAM，RAM在上电复位时还没有被初始化），在连接程序时可以把每个段都指定到RAM中，在SOPCBuilder中也可把exception部分指定到RAM中，这样连接生成的可执行文件.elf文件就是适合在RAM中运行的程序。

但在实际应用中这个程序最终存放在Flash中，需要Bootloader把Flash中的程序映像拷贝到RAM中运行。

工具elf2flash能够根据情况自动给程序在生成.flash文件时添加“程序记录”和Bootloader。

elf2flash判断其后随参数reset地址（就是NiosII的reset地址）和程序的入口地址是不是一样，如果一样就不添加“程序记录”和Bootloader，如果不一样就添加。

这个Bootloader根据各个“程序记录”把程序映像拷贝到RAM中并从RAM中执行。

和EPCS一样，每个“程序记录”由两个32位的数据组成，一个是程序的长度，一个目的执行地址（即程序的运行地址）。

Stratix开发板上Flash中的存贮分布如下：

Bootloader的工作流程如下：

运行完Bootloader仍要执行Crt0.s，但此时Crt0.s的流程和程序在Flash中直接运行的情况有一些区别：

它没有初始化指令Cache，也不会企图装载别的段，这些步骤已在Bootloader中完成。

程序映像已经包含这些段，在搬移程序映像时也装载了相应段（.rodata段，.rwdata段和.exceptions段），程序映像中不包含.bss段和stack，所以仍需要清.bss段、设置栈指针和全局指针。

Bootloader没有存取存贮器数据，也就没有初始化数据Cache，所以Crt0.s仍然要初始化数据Cache。

5、Bootloader解读

Altera提供了两个Bootloader程序：

一个用于从EPCS器件中Boot，另一个用于从Flash中Boot。

其中，boot_loader.s是公共部分，boot_loader_epcs_bits.s用于从EPCS器件中Boot，boot_loader_cfi_bits.s用于从Flash中Boot。

5.1

boot_loader.s解读

#ifdefEPCS

#defineFIND_PAYLOADsub_find_payload_epcs//查找EPCS中数据负荷子程序

#defineREAD_INTsub_read_int_from_flash_epcs//从EPCS中读取一个32位word

#defineSTREAMING_COPYsub_streaming_copy_epcs//从EPCS中拷贝流的子程序

#defineCLOSE_DEVICEsub_epcs_close//关闭EPCS器件的子程序

#else

#defineFIND_PAYLOADsub_find_payload_cfi//查找CFI并行flash中数据负荷的子程序

#defineREAD_INTsub_read_int_from_flash_cfi//从CFI并行flash中读取一个32位的word

#defineSTREAMING_COPYsub_streaming_copy_cfi//从CFI并行flash中拷贝流的子程序

#endif

#include"

boot_loader.h"

.globalreset

.global_start

.globalmain

.globalend_of_boot_copier

reset:

_start:

main:

//清除CPU的状态寄存器，禁止中断，这个动作在硬件复位时其实已经自动完成

wrctlstatus,r_zero//将status清零

//冲刷指令cache

//NiosII最多支持64Kbytes的指令cache，所以只初始化了64Kbytes的指令cache

movhir_flush_counter,%hi（0x10000）

cache_loop:

//初始化指令Cache

initir_flush_counter

//没有必要初始化数据cache,Bootloader不存取存贮器数据

addir_flush_counter,r_flush_counter,-32

bner_flush_counter,r_zero,cache_loop

//冲刷流水线

flushp//冲刷流水线

//r_flash_ptr=find_payload（）;

//调用查找数据负荷子程序寻找数据负荷

nextpcreturn_address_less_4

brFIND_PAYLOAD

//拷贝程序段映像

//在循环的开始，寄存器r_flash_ptr包含“程序记录”的源地址VMA

//1）读取“程序记录”的长度域（4-bytes）（r_data_size）

//2）读取“程序记录”的目的地址域（4-bytes）（r_dest）

//3）循环:

//拷贝r_data_size字节，一次一个字节：

*r_dest++=*r_flash_ptr++

//把0xFFFFFFFF装入r_halt_record，用于测试是否要停机

subir_halt_record,r_zero,1

per_record_loop:

//循环装载各个程序段

//读取“程序记录”的长度域，r_data_size=READ_INT（r_flash_ptr++）。

nextpcreturn_address_less_4

brREAD_INT

movr_data_size,r_read_int_return_value

//读取“程序记录”的目的地址域，r_dest=READ_INT（r_flash_ptr++）。

movr_dest,r_read_int_return_value

//测试长度域是否为0

//如果是就直接运行程序

beqr_data_size,r_zero,last_program_record

//如果长度域为-1（0xFFFFFFFF），就停机

halt_record_forever:

beqr_data_size,r_halt_record,halt_record_forever

//使用拷贝流子程序搬移数据

nextpcreturn_address_less_4//下一个程序段

brSTREAMING_COPY//改变r_flash_ptr至下一个程序段首地址

//程序运行到这里，表明已经处理了当前的“程序记录”了，

//且知道这不是最后一个“程序记录”，因为其长度域不为0，

//这就意味着要处理下一个“程序记录”

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