本文主要包含MultiBoot的功能簡介、流程介紹和工程實現(xiàn)幾個部分的講解。

我們先從它的功能介紹講起來； MultiBoot功能是大部分Xilinx FPGA可以實現(xiàn)的固有特性；其主要優(yōu)點如下所示：

1、我們可以把多個bitstream存儲在配置Flash中，通過MultiBoot功能來實現(xiàn)多個bitstream之間的動態(tài)切換，從而達到使用FPGA來實現(xiàn)多種任務(wù)；

2、在一個工程里面實現(xiàn)多個功能模塊，而每個功能模塊不需要同時運行的情況，可以通過MultiBoot功能使用相對小規(guī)模的FPGA來實現(xiàn)其功能，從而提高性價比；

3、MultiBoot和Fallback可以支持實現(xiàn)FPGA遠程在線升級，當升級bit有錯誤可以觸發(fā)Fallback來返回到Golden Image去正常運行。

Golden Image里面正常會包含F(xiàn)PGA實現(xiàn)的基本功能，例如外設(shè)配置和初始化、遠程升級等等客戶需要的基本功能；如果Golden Image損壞的情況下，F(xiàn)PGA是無法工作的，需要返回工廠重新手動燒寫bit文件到Flash中。

Golden Image設(shè)計要求主要包含下面幾點：

1、IPROG(Internal program) command在Golden Image里面可以通過設(shè)置bitstream setting里面的next configuration address (BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR)，或者在HDL代碼使用ICAPE3原語來設(shè)定加載地址值；通過設(shè)置BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_REBOOTDISABLE來把

IPROG command關(guān)掉，在這種情況下上電后會直接去加載Golden Image；

2、跳轉(zhuǎn)地址寄存器WBSTAR(warm boot start address)可以在bitstream或者ICAP里面來設(shè)定；

3、MultiBoot Image必須存儲在WBSTAR設(shè)置的Flash地址位置；

4、Watchdog timer包含configuration monitor和user logic monitor兩種模式；在配置模式下面，Timer times out情況下，配置電路會去加載fallback bitstream。Watchdog Timer可以在bitstream options里面使能。

Golden Image是從Flash中的0地址開始存儲；其幀頭會包括WBSTAR（next_config_addr）寄存器里面指定的upper address space等信息。FPGA器件上電后會從0地址開始加載Golden Image后，會根據(jù)里面的設(shè)定來決定加載Golden Image還是直接跳轉(zhuǎn)到MultiBoot Image存儲地址去執(zhí)行MultiBoot Image；當MultiBoot Image加載時候遇到錯誤，F(xiàn)allback電路會觸發(fā)去重新從0地址去加載Golden Image。其流程如圖所示：

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MultiBootImage是從設(shè)定好的upper address space去加載運行；如果加載出現(xiàn)問題，F(xiàn)allback電路會去加載Golden Image。我們可以在Golden Image里面去修復(fù)Multiboot Image里面的錯誤等等問題。所以說MultiBoot Image里面運行的就是我們要實現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)功能,可以是多個Multiboot Image。

Golden Image設(shè)計要求主要包含下面幾點：

1、WBSTAR里面的值要指向MultiBoot存儲位置；

2、Watchdog Timer功能要bitstream options里面使能；

3、代碼里面可以通過IPROG命令去運行ICAPE3來跳轉(zhuǎn)想要運行其他的MultiBoot Image。

MultiBoot加載流程如圖所示：

在配置過程中遇到IDCODE error、CRC error、Watchdog timer timeout error、BPI address wraparound error情況會觸發(fā)fallback。Fallback功能可以通過使能bitstream.config.configfallback enable里面的ConfigFallback選項來實現(xiàn)。當fallback運行時，Watchdog Timer\IPROG是disable的；另外當fallback重新配置FPGA出錯情況下，配置電路會停止工作同時會把INIT_B\Done保持為低電平。

MultiBoot功能可以通過設(shè)置下面bitstream里面的參數(shù)來實現(xiàn)。這些參數(shù)可以通過Tcl console或者寫入到XDC文件里面來實現(xiàn)其功能。

在前面介紹其功能作用和含義等等后，下面我們開始工程實現(xiàn)。

本人使用Vivado版本為2020.2；硬件基于米聯(lián)客設(shè)計的KU040板卡。先建立Golden Image的工程，里面包括HDL文件和XDC約束。

Golden Image的工程里面代碼主要是把led1燈點亮。XDC里面包括IO約束信息等等，其中0x040000是Multiboot Image存放Flash里面的物理地址。

Multiboot Image led2的工程里面代碼主要是把led1燈點亮。XDC里面包括IO約束和配置約束信息等等，可以看到是和Golden Image工程里面約束是有差異的。

在工程建立完成后開始合并bit文件并燒入到板卡里面：

1、使用下面tcl去把兩個bit文件合為一個mcs文件；

2、通過Hardware Manager去燒入到板卡的Flash中；

3、燒寫完成后選擇Boot from Configuration Memory Devive去加載FPGA。

4、在FPGA加載后可以看到板卡上面LED2燈點亮。

5、在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能；由于加載沒有錯誤，目前運行的是Multiboot程序。CONFIG_SATUS里面可以看到DON_PIN拉高。

下面我們嘗試把 multiboot image里面的IDCODE修改掉，人為的造成錯誤來驗證板卡是否會跳轉(zhuǎn)到Golden Image去執(zhí)行。

1、使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打開后，搜索到Update.bit里面的KU040的IDCODE3822093,并把它修改為0；重新生成ku_multiboot_spix4 _id.mcs文件燒入到FPGA.

2、按照前面流程合成bit文件后燒入到Flash中并上電；

3、在FPGA加載后可以看到板卡上面LED1燈點亮；證明Fallback功能生效，當Multiboot Image損壞后可以安全加載Golden Image。

4、 在Hardware Device Properties的BOOT_STATUS里面可以看到INTERNAL_PROG使能，ID_ERROR拉高；這時候Multiboot Image加載遇到ID錯誤，F(xiàn)PGA返回到Golden Image去運行。

我們可以再嘗試把 multibootimage其他部分破壞掉導(dǎo)致CRC出錯來驗證功能。

1、 使用UltraEdit把ku_multiboot_spix4.mcs打開后，在Update.bit里面做如下修改來驗證CRC錯誤情況。

2、 燒入到板卡上電后；由于multiboot image里面有CRC錯誤，所以板卡還是返回到Golden Image去運行。

除了前面我們在bitstream里面去實現(xiàn)Multiboot功能，我們還可以在代碼里面嵌入IPROG的命令來實現(xiàn)Image的跳轉(zhuǎn)功能。

代碼里面使用IPROG功能的流程如下圖所示：

我們可以在點亮LED2的那個工程來做相關(guān)修改：

1、 我們在點LED2燈的MultiBoot Image LED2工程里面加入ICAPE3代碼；

2、 根據(jù)前面命令流程圖在代碼里面實現(xiàn)其功能；其中Warm Boot Start Address要跟bit文件在Flash里面位置對應(yīng)起來，不然跳轉(zhuǎn)后會找不到對應(yīng)的image導(dǎo)致失敗。

3、 建立點亮MultiBoot Image LED3工程來配合前面IPROG命令功能；這樣可以通過MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令在FPGA不斷電的情況下實時把切換MultiBoot Image LED3到工程來點亮LED3。

4、 使用下面tcl去把兩個bit文件合為一個mcs文件；

5、 燒寫完成后選擇Boot from Configuration Memory Devive去加載FPGA，然后通過外置按鍵來執(zhí)行MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令去實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。

前面篇章對Xilinx的Multiboot進行簡介和工程實現(xiàn)；主要參考文章有 UG574\UG974\XAPP1257等等。

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