用于FPGA远程更新的QuickBoot方法

用于FPGA远程更新的QuickBoot方法

1. 远程更新简介

下图为具有FPGA远程更新功能的系统架构：
在FPGA设计中，FPGA固件主要烧录到flash中。

2 QuickBoot方案

QuickBoot远程更新方案是一种用于FPGA固件远程更新的解决方案；
该方案对固件更新过程的编程算法进行简单调整，将编程错误/中断复的责任置于编程操作上

下图展示了QuickBoot的系统架构框图：

• Factory / Design Center:
  • Vivado 生成Bitstream
  • 将Bitstream 转换成 Memory Configuration File (.mcs)
  • 使用QuickBoot方案提供的Perl脚本添加CRC数据，并产生新的 Memory Configuration File
• Remote System:
  • Remote Host, 远程更新接口(如以太网、PCIe、USB等)
  • QuickBoot Flash Progammer, VHDL code（QuickBoot提供）
• Flash Memory: (QuickBoot 方案中 Flash模型)
  • QuickBoot Header Area
  • Golden Image Area
  • Update Image Area
    

2.1 QuickBoot配置方法

在QuickBoot解决方案中，将Flash Memory划分为以下三个部分：

• Special QuickBoot Head (特殊的QuickBoot头)
  • Critical Switch Word(详细介绍见章节3.1): QuickBoot配置方法的关键， Critical Switch World为ON时，FPGA加载Update Bitstream; Critical Switch World为OFF时，FPGA加载Golden Bitstream
  • Warm Boot Jump Sequence
• Golden Bitstream Image Area
• Update Bitstream Image Area

QuickBoot 配置序列过程如下：

1. 从Flash 地址0处开始读数据； 从Critical Switch World地址处读出Critical Switch World的值，若为ON，则执行Warm Boot Jump Sequence跳到步骤2加载Update Bitstream；反之Critical Switch World为OFF,则忽略Warm Boot Jump Sequence, 跳到步骤3加载Golden Bitstream
2. Configure with the update bitstream:
   1. Jump to update bitstream area
   2. Load the bitstream from the update bitstream area.
3. Configure with the golden bitstream:
   1. 继续按照Flash存储器地址顺序读取 Golden bitstream area数据
   2. Load the bitstream from the golden bitstream area
      
      总结： QuickBoot配置方法可以通过Critical Switch World快速确定加载哪个bitstream; 然后读取选中区域的bitstream来配置FPGA

2.2 QuickBoot Flash 编程方法

Update bitstream编程过程决定了QuickBoot方案的健壮性

为了确保QuickBoot方案可靠，Flash编程要确保

• 在尝试对Update bitstream进行任何更改之前， Critical Switch World一定是OFF；
• 只有在验证Update bitstream已经被正确编程之后， Critical Switch World才设置为ON
• 为了在所有情况下的完整性，不能修改QuickBoot Header 中Warm Boot Jump Sequence 以及 Golden Image

总结： QuickBoot 提供的 QuickBoot Flash Progammer行为说明(VHDL设计功能)

3.QuickBoot实现

3.1 Critical Switch World (key point)

关键开关字是一个特殊的字值。 只有当关键开关字位置包含一个精确的、预定的值时，关键开关字才被认为是ON。

关键开关字的操作和其特殊的值 与FPGA bistream以及FPGA内建配置逻辑存在一定的关系

Xilinx FPGA配置通过一系列32-bit字完成，这些32-bit字包含：

• Bus width auto detection word
• Sync word
• Packet header word
• Packet command or data words for each packet.

由Xilinx 设计工具产生的所有bitstream按照顺序由以下部分组成：

1. Bus width auto detection word
2. Sync word
3. data packets that define the FPGA configuration

---

BPI Flash:

• FPGA 配置逻辑保持在初始阶段，直到FPGA在BPI Flash D[0:7] 引脚上检测到0xBB 数据值(从总线宽度自动检测模式的第一个字开始)
• 在FPGA初始搜索总线宽度自动检测模式期间，FPGA 会有效地忽略所有传入数据`，直到识别出有效的总线宽度自动检测模式
• 因此，BPI类型的Flash，总线宽度自动检测模式 0x000000BB 的第一个字是 QuickBoot 方法的关键开关字
  (注：关键开关字位置不是总线宽度自动检测字时，FPGA内建配置程序就忽略warm boot jump sequence)

SPI Flash:

• FPGA 配置逻辑保持在初始阶段，监视传入数据中的同步字 0xAA995566 ，以实现自身与传入比特流的 32 位字的边界同步
• 在初始搜索同步字期间，FPGA 会有效地忽略所有传入数据，直到识别出同步字
• 因此，SPI类型Flash, 将同步字作为QuickBoot方案的关键开关字
  (注：关键开关字位置不是同步字时，FPGA内建配置程序就忽略warm boot jump sequence)
  

3.2 QuickBoot存储映射

由于Flash的修改需要擦除操作，并且擦除操作会影响整个Flash segment，因此Flash segment结构决定了 QuickBoot 各部分在Flash内的位置：

1. QuickBoot Header
   a. QuickBoot Header part 1——Critical Switch World, 放置在单独的可擦除segment
   b. QuickBoot Header part 2——Warm Boot Jump Sequence, 紧随part1，但处于与part 1部分不同的可擦除segment
2. Golden bitstream image在Flash存储阵列中紧随QuickBoot Header之后 ， Xilinx设计工具产生的标准bitstream(即包含bus width auto detetced word and sync word)
3. Update bitstream image存放在自己独立的可擦除segment； Update Bitstream image 和Golden bitstream image不共享任何可擦除segment

BPI Flash

下图所示为 BPI Flash 的 QuickBoot存储映射示例：

• 第一列(最左侧)为 Good Update Bitstream情况
• 第二列为Bad Update bitstream情形
• 第三列为Flash 各Segment或地址内数据详细说明
• 第四列为Flash 对应的QuickBoot Flash模型中的部分
  

SPI Flash

3.3 Bitstream Image 大小与Flash存储大小选择

• Flash存储至少要大于Line 10的结果；
• 每个Bitstream image的大小要大于line 8的结果
  

4. QuickBoot参考设计实现指南

按以下步骤实现QuickBoot参考设计：

1. QuickBoot 硬件准备 (连接Flash)
   • QuickBoot 仅支持部分类型Flash
2. FPGA设计中例化QuickBoot flash programmer模块,实现包含QuickBoot flash programmer模块的系统接口
3. 产生QuickBoot文件(golden image file)
   a. Vivado生成 bitstream，然后再生成fpga_design.mcs文件
   b. 运行MakeBpiFlashProgrammerMcsFiles.pl或MakeSpiFlashProgrammerMcsFiles.pl脚本(需要安装perl环境)，读入fpga_design.mcs文件，并指定Image Size，生成fpga_design_init.mcs 以及fpga_design_update.mcs文件
   c. 若是golden设计，则将fpga_design_init.mcs文件固化到fpga中； 反之若是update设计，则需要将fpga_design_update.mcs内容通过QuickBoot flash programmer模块的系统接口写入Flash

参考

1. https://docs.xilinx.com/v/u/en-US/xapp1081-quickboot-remote-update