ООО “КТЦ "Инлайн Груп” - официальный дистрибьютор фирмы Xilinx - www.xilinx.ru  
 
Инлайн Групп
главная разделитель е-mail разделитель карта
войти    • регистрация
 
каталог
Каталог
описания
Описания
тренинг-центр
Тренинг-центр
инженерный центр
Инженерный центр


о нас
О нас
партнеры
Партнеры
контакты
Контакты
 
Описания
 
ПРОГРАММИРОВАНИЕ ЗАГРУЗОЧНОЙ FLASH ДЛЯ ЗАПУСКА MICROBLAZE
В этой статье описаны варианты создания загрузочного файла для FLASH выполняющего запуск MicroBlaze при включении питания. 
 

Введение

   В предыдущей статье был рассмотрен процесс создания процессорной системы на базе софтпроцессора MicroBlaze в среде Vivado и Xilinx SDK. Однако, за рамками остался один интересный вопрос: «Как же нам заставить запускаться процессор при включении питания?» Иными словами, какие шаги мы должны предпринять, чтобы соединить вместе файл прошивки FPGA (.bit) и файл исполняемой программы MicroBlaze’а (.elf) в один общий файл прошивки FLASH памяти (.mcs или .bin)?
Как ни парадоксально, но ответ не сложным образом находится простым поиском в DocNav. Но если бы все было так просто ….
   Цель статьи - показать способы создания/слияния bit и elf  в единый mcs для Arty Board.
   За основу мы с Вами возьмём наш проект из предыдущей статьи. Надеюсь, что у Вас все получилось нормально и всё заработало как следует. Пользоваться мы будем небольшими утилитами Vivado, доступ к которым получим через Tcl консоль.
   Лирическое отступление: Tcl – мощнейший инструмент не только Vivado, да и вообще любой среды проектирования, программирования, прототипирования и т.д. И знакомиться Вам с ним придётся в любом случае, если Вы захотите освоить среду в полном объёме, в данном случае Vivado. Несмотря на графический интерфейс, не все возможности Vivado помещаются в него. Например одна из потряснейших вещей «частичная реконфигурация (Partial Reconfiguration)» до версии 2017.1 существовала только в виде консоли и скриптов Tcl. Да и в общем, иногда некоторые вещи удобно делать через консоль или же использовать какой-либо самопальный скрипт для выполнения тех или иных действий. Призываю всех познакомиться с Tcl консолью и языком Tcl. Синтаксис языка не сложный, а литературы в интернетах по нему масса. Ниже приведены ссылки на соответствующие источники [1-3].
   В этой статье, мы будем использовать Tcl скрипт, но оформим мы это в виде добавки к графическому интерфейсу Vivado, о которой, как ни странно, мало кто знает. Но об этом позже.
Я покажу как собрать единый mcs файл в Vivado. Это можно сделать и средствами SDK – о чем кто-либо из пользователей должен будет сделать соответствующую заметку на сайте J.

Способ 1

   Для начала нам необходимо прочитать главу «Using UpdateMEM to Update BIT files with MMI and ELF Data» из [4]. Пожалуйста, обратите внимание, что документы от версии к версии софта меняются. Для конкретного случая глава «Using UpdateMEM to Update BIT files with MMI and ELF Data» в версии 2015.4 идёт под номером 6, а в версии 2017.1 под номером 7. Всегда выбирайте документы именно той же версии, что и Ваш софт.
   Как Вы уже, наверное, поняли, из названия главы мы будем использовать утилиту updatemem, для которой нам понадобятся:
  • Бистрим файл (.bit), который генерируется Vivado. Команда updatemem берет .bit файл и выдаёт .bit файл.
  • Файл с информацией отображения памяти (.mmi) файл. Этот файл описывает то, каким образом ячейки блочной памяти сгруппированы вместе, чтобы создать единое непрерывное адресное пространство. Этот файл автоматически создаётся Vivado и лежит в папке с результатами имплементации (по умолчанию <project>.runs/imp_x) или он может быть сгенерирован, используя команду write_mem_info.
  • Файл исполняемой программы MicroBlaze (.elf). Этот файл генерируется SDK.
  • Номер процессора в системе (ID). Даже если у вас всего один процессор, путь к его иерархии должен быть указан.
   О том, что содержит и для чего нужен каждый тип файла, Вы можете самостоятельно ознакомиться в [4].

Генерация «правильного» bit файла

   Правильный bit файл – это такой bit файл, в котором указа информация о конфигурационной FLASH. Для того чтобы такой файл сгенерировать, нам понадобится как минимум информация о FLASH на ArtyBoard. Это можно найти в документации на ArtyBoard и это будет N25Q128A13ESF40 от компании Micron.
   Но это информация пока избыточна, что нам точно надо знать так это то, что у нас стоит QSPI FLASH с возможность работы в режимах x1, x2, x4.
   Занесём эти настройки в программу. Откройте имплементированный проект (Open Implemented Design) и после этого выберите Tools→Edit Device Properties (рис. 1).
Рисунок 1 Вызов мастера настроек конфигурационного файла (д.б открыт имплементированный проект)
 
Появится окно конфигурации FLASH (рис.2) Настроек тут много, ознакомиться с ними предлагаю Вам самостоятельно, нажав на кнопочку Help внизу слева.

Рисунок 2 Окно настроек конфигурации

 
   Нам потребуется только установить режим конфигурирования и скорость/частоту. Перейдите во вкладку Configuration и поставьте следующие значения (рис 3):
Configuration Rate (MHz) 33

Рисунок 3 Окно настройки конфигурации: Configaration

Перейдите во вкладку Configuration Modes и выберите Master SPI x4 (рис.4)

Рисунок 4 Окно настройки конфигурации: Configaration Modes

   Все остальное оставим по умолчанию и нажимаем кнопку ОК.
   Запускаем генерацию битсрима Generate Bitstream и ждём окончания генерации.

Склеивание bit+elf = bitelf

  Как я упоминал, мы будем использовать команду/утилиту updatemem. Как Вы знаете, Tcl консоль Vivado интерактивная – то есть если Вы набираете команду, будет выдаваться команды, начало которых совпадает с введёнными символами (рис.5)

Рисунок 5 Интерактивное дополнение команд по введённым символам “get_”

   Однако если Вы будете вводить команду updatemem, то она не появится в списке доступных. Но это не должно Вас останавливать.

Рисунок 6 Отсутствие команды updatemem в консоли

   Всё же если Вы проявите настойчивость и наберёте команду updatemem и нажмёте ввод, то увидите справку по утилите updatemem (рис. 7).
 

Рисунок 7 Справка по команде updatemem

   Ниже в справке Вы видите примеры. Собственно, их нужно просто повторить
   Советую Вам открыть любой текстовый редактор и написать в нём команду и её опции (рис. 9). В качестве аргументов опций должны быть указаны пути к файлам. Я указал абсолютные пути.
   Аргументом опции –proc будет положение процессора в иерархии. Чтобы корректно написать к процессору путь, нажмите Open Synthesized Design или Open Implemented Design, перейдите во вкладку Netlist, выберите процессор и скопируйте его имя (поле name в свойствах) (рис. 8)

Рисунок 8 Поиск названия процессора в иерархии проекта

   Опция –out это то место, где будет располагаться склеенный bit+elf файл, который называется в данном случае bitelf.bit и располагается в папке impl_1, то есть там же где и исходный bit файл.
   Полный листинг команды updatemem с соответствующими опциями показан на рис.9.

Рисунок 9 Листинг команды updatemem

   Наберите её в текстовом редакторе, после чего скопируйте в Tcl консоль Vivado, и если всё хорошо, то на выходе вы получите файл bitelf.elf, который будет находиться там, где Вы указали (путь – это аргумент опции -out) (рис.9). Пожалуйста, внимательно читайте log, который выдаёт команда updatemem в Tcl консоли Vivado. Ошибки, которые Вы допустили, не будут подсвечены, а просто будет черным текстом написано, что-то вроде этого (рис.10)

Рисунок 10 Вариант вывода ошибки командой updatemem (название процессора указано не верно, не хватает буквы m)
 

Рисунок 11 Сформированный bitelf.elf файл

 
Теперь осталось только создать файл прошивки FLASH памяти.

Создание конфигурационного mcs файла для загрузочной flash

   Теперь создадим конфигурационный файл msc, которым прошьём FLASH.
   Подключаем ArtyBoard к компьютеру. Открываем Hardware Manager (Open Hardware Manager). Выбираем Open Target, затем Auto Connect (рис.12).

Рисунок 12 Подключение Arty

После этого в списке подключённых устройств должна появиться FPGA, установленная на Arty (рис.13)

Рисунок 13 Список подключённых устройств

Нажимаем правой кнопкой по xc7a35t_0 и выбираем Add Configuration Memory Device …(рис.14).

Рисунок 14 Добавление конфигурационного устройства, вызов мастера

Откроется очень большой список доступных устройств, в строке поиска наберите «3.3» и выберите «n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4» (рис.15).

Рисунок 15 Выбор конфигурационной FLASH

Нажимаем ОК. После этого появится диалоговое окно для создания mcs файла. Нажимаем Cancel (рис.16).

Рисунок 16 Окна запуска мастера создания mcs файла

 
   А вот здесь наступает именно тот момент, который всех приводит в недоумение. Создание конфигурационного файла mcs в версиях до 2017.1 возможно только через Tcl консоль. Бред! Не правда ли?
   Сделать mcs файл возможно с помощью команды write_cfgmem. У этой команды достаточно большая справка и большое количество аргументов. Вызвать справку можно написав в консоли write_cfgmem –help или обратившись к [2]
   Я не буду Вас томить описанием всех параметров. Скажу, что для нашего случая достаточно указать «правильный» bit файл (bitelf.bit) и куда сохранить сгенерированный mcs (bitelf_mcs.mcs) файл. Размер нашей FLASH 16MB. Интерфейс мы выставили spi_x4. Опция –force нужна, чтобы можно было переписать файл при необходимости повторной генерации. Обратите внимание, что для опции –loadbit слэши в пути к файлу bitelf.bit стоят в другом направлении. Если стоит как обычно «\», то при интерпретации команды возможно появление ошибок.
   Запишите команду в текстовом редакторе ниже команды updatemem, затем скопируйте команду write_cfgmem и её опции, вставьте в Tcl консоль Vivado и нажмите Enter

 
write_cfgmem\
 -format mcs\
 -size 16\
 -interface SPIx4 \
 -loadbit {up 0x00000000 "C:/Projects/FGPA-Systems/Microblaze_Lesson_1/Microblaze_Lesson_1.runs/impl_1/bitelf.bit"}\
 -force\
 -file {C:\Projects\FGPA-Systems\Microblaze_Lesson_1\Microblaze_Lesson_1.runs\impl_1\bitelf_mcs.mcs}
Рисунок 17 Листинг для формирования mcs файла

   Проверяем папку, которую Вы указали в качестве выходной для write_cfgmem и проверяем наличие файла bitelf_mcs.mcs (рис. 18). В моём случае файл лежит в папке с результатами имплементации.

Рисунок 18 Сгенерированный mcs файл

Прошиваем FLASH

   Осталось только прошить FLASH сгенерированным bitelf_mcs.mcs файлом.
Для этого нажимаем правой кнопкой мыши на FLASH в списке устройств и выбираем Program Configuration Memory Device (рис.19).
Рисунок 19 Запуск мастера программирования конфигурационной FLASH

   В мастере указываем путь к файлу bitelf_mcs.mcs и нажимаем ОК.
   Обратите внимание, что джампер JP1 (mode) на Arty должен быть установлен.
Рисунок 20  Мастер настроек конфигурации

   После окончания программирования FLASH можно либо переподключить USB кабель, либо нажать кнопочку PROG (она находится недалеко от USB разъёма рядом со светодиодом LD8 (DONE)).
Если все сделано корректно, то вы увидите мигающий светодиод, а если ещё и настроите терминал COM порта, то и сообщение Hello World, которое появляется каждый раз, как только загрузится FPGA (либо переподключение питания, либо кнопка PROG).

Способ 2

   Рассмотрим другой способ. Он заключается в том, что пользователь сам присоединяет исполняемый файл программы к процессору через графический интерфейс или Tcl команду.
Для этого выберете Project Manager→в иерархии найдите block design→ правой кнопкой→Associate ELF Files

Рисунок 21 Запуск мастера присоединения исполняемых файлов

 
   После этого откроется мастер присоединения исполняемых файлов. Для нашего процессора необходимо указать файл elf. Добавьте его самостоятельно, следуя инструкциям на рис. 22. Пути к файлам у Вас будут соответственно свои.

Рисунок 22 Окно добавления файла исполняемой программы elf

 
Нажмите ОК, и после этого вы увидите команду в Tcl консоли, набрав которую вы можете выполнить тоже самое, что проделали только что – ассоциирование elf файла с процессорной системой. Сохраните эту команду в новый текстовый файл (рис. 23).

Рисунок 23 Команды для выполнения ассоциации elf и процессора. Сохраните их в текстовом файле. Они пригодятся позднее.

   После ассоциирования, нужно перегенерировать bit файл. Нажмите кнопку Generate Bitstream и дождитесь окончания операции. После нажатия на копку Generate Bitstream появятся команды в Tcl консоли (рис. 24), сохраните их в текстовый файл ниже команд ассоциирования.

Рисунок 24 Команды ассоциирования и генерации битсрима в Tcl консоли. Добавьте команды генерации в текстовый файл ниже команд ассоциирования

   Наш bit файл был сгенерирован и он уже содержит в себе информацию из elf. Мы выполнили склеивание этих файлов. Теперь повторяем процедуру write_cfgmem, но только вместо файла bitelf.bit нужно указать только что сгенерированный bit файл (system_wrapper.bit), который называется так же, как и топ модуль нашего проекта (system_wrapper) (рис.25)

Рисунок 25 Топ модуль и сгенерированный bit файл
   
   Таким образом команда write_cfgmem примет следующий вид (рис. 26).

Рисунок 26 Команда write_cfgmem для способа 2 генерации mcs

 
   Запустите write_cfgmem команду в Tcl консоли Vivado, и убедитесь, что файл bitelf_mcs.mcs появился или обновился в соответствующей папке.
   Поместите write_cfgmem в текстовый файл ниже команд запуска генерации битсрима. Сохраните файл в   удобное для Вас место. Название может быть любым без русских букв, но расширение у него должно быть .tcl. Например, mem_gen.tcl. Таким образом должен получиться файл со следующим содержимым.

Рисунок 27 Содержимое файла mem_gen.Tcl
   
   Далее можете запрограммировать FLASH память на Arty и убедиться, что все получилось. Долже замигать светодиод, как и в прошлый раз. 

 
   Я не сомневаюсь, что у многих возникла одна мысль: «Это типа так каждый раз что ли делать? Писать этот скрипт и копировать? Хрень какая-то!!!» И тут конечно возразить не чего. Но, вот тут нас может выручить одна полезная фича Vivado – можно создавать собственные кнопки в интерфейсе, по нажатию на которые будет выполняться какой-то скрипт или команда.
   Помните я говорил Вам записать команды в текстовый файл? Его нужно дополнить всего одной командой, и вот почему. После команды генерации битсрима, Vivado начнёт его генерировать, но Tcl не будет ждать пока закончится этот процесс, а сразу запустит генерацию mcs файла, что приведёт к ошибке, потому что файл bit ещё не успел сгенерироваться. Поэтому нам нужно сказать Tcl «подожди пока сгенерируется bit и только после этого запускай генерацию mcs». Делается это с помощью команды wait_on_run impl_1. Эту команду нужно поместить между командами генерации битсрима и файла mcs. Таким образом полный листинг файла mem_gen.tcl приведён на рис.28.
Рисунок 28 Окончательный листинг файла mem_gen.tcl
 
   Открываем Vivado, нажимаем Tools→Customize Commands→ Customize Commands.
Рисунок 29 Листинг команд для генерирования склеенного bit+elf и mcs  файлов
 
   Откроется окно настройки кнопки, нажмите на плюсик, чтобы добавить кнопку, название кнопки «mem_gen», в качестве источника укажите файл mem_gen.tcl, при необходимости можете добавить иконку и сделать описание (рис.30).
Рисунок 30 Меню создания кнопки в Vivado
 
   Нажимаем ОК и теперь кнопка появилась в панели инструментов (рис. 31)
 
Рисунок 31 Кнопка пользователя в панели Vivado
 
  Теперь, нет необходимости каждый раз копировать скрипты, просто нажимаете кнопку и получите mcs файл.
  Не забывайте обновлять msc после изменений в elf файле.
 
Домашнее задание:
1. Дополните скрипт таким образом, чтобы запуск программирования FLASH запускался автоматически
2. *Измените скрипт таким образом, чтобы команды reset_runs, launch_runs и  wait_on_run были привязаны к активному design run, а не к конкретно impl_1 

  PS: большое спасибо пользователю Aspect (на сайте fpga-systems.ru)  чей комментарий мотивировал на написание этого материала.
 

Библиографический список

1. Уэлш Брент, Джонс Кен. Практическое программирование на Tcl и Tk.
2.
UG835 Vivado Design Suite Tcl Command Reference Guide
3.
UG894 Using Tcl Scripting
4.
UG898 Embedded Processor Hardware Design
5.
UG984. MicroBlaze Processor Reference Guide. Xilinx Inc.
6.
MicroBlaze на сайте Xilinx
7. Vivado на сайте Xilinx
8. Описание  Arty Board на сайте Digilent

Список тренингов

по MicroBlaze в сертифицированном тренинг центре компании Xilinx:
 
  1. Построение встраиваемых процессорных систем
  2. Дополнительный курс по построению встраиваемых процессорных систем
  3. Разработка ПО для встраиваемых процессорных систем
  4. Доп. курс по разработке ПО для встраиваемых процессорных систем
  5. Полный список курсов
 
 При возникновении вопросов по работе с Vivado или продукцией фирмы Xilinx, пожалуйста, обращайтесь к нашему инженеру по применению Коробкову Михаилу по адресу m.korobkov@inlinegroup.ru или задайте вопрос на fpga-systems.ru
Наверх   |  Xilinx   |  ПЛИС РУ
 
трубка 495
797-61-74
(многоканальный)
Copyright © 1994-2012 Xilinx, Inc.
Все права на материалы, опубликованные на сайте, принадлежат
Xilinx, Inc. При перепечатке материалов ссылка на сайт
обязательна.
Создание и поддержка сайта infozor.com