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

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

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

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

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

Golden Image里面正常會包含FPGA實現的基本功能，例如外設配置和初始化、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，FPGA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原語來設定加載地址值；通過設置BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_REBOOTDISABLE來把

IPROG command關掉，在這種情況下上電后會直接去加載Golden Image；

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

3、MultiBoot Image必須存儲在WBSTAR設置的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，會根據里面的設定來決定加載Golden Image還是直接跳轉到MultiBoot Image存儲地址去執行MultiBoot Image；當MultiBoot Image加載時候遇到錯誤，Fallback電路會觸發去重新從0地址去加載Golden Image。其流程如圖所示：

MultiBootImage是從設定好的upper address space去加載運行；如果加載出現問題，Fallback電路會去加載Golden Image。我們可以在Golden Image里面去修復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的具體業務功能,可以是多個Multiboot Image。

Golden Image設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fallback。Fallback功能可以通過使能bitstream.config.configfallback enable里面的ConfigFallback選項來實現。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功能可以通過設置下面bitstream里面的參數來實現。這些參數可以通過Tcl console或者寫入到XDC文件里面來實現其功能。

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。

本人使用Vivado版本為2020.2；硬件基于米聯客設計的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到Golden Image去執行。
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，FPGA返回到Golden Image去運行。

我們可以再嘗試把multiboot image其他部分破壞掉導致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Multiboot功能，我們還可以在代碼里面嵌入IPROG的命令來實現Image的跳轉功能。

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、根據前面命令流程圖在代碼里面實現其功能；其中Warm Boot Start Address要跟bit文件在Flash里面位置對應起來，不然跳轉后會找不到對應的image導致失敗。

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行MultiBoot Image LED2 工程里面的IPROG命令去實現跳轉。

審核編輯：劉清