【SoC FPGA】HPS启动过程-编程知识

SoC HPS启动流程

- Boot ROM
- Preloader
- Boot Loader

HPS的启动是一个多阶段的过程，每一个阶段都会完成对应的工作并且将下一个阶段的执行代码引导起来。每个阶段均负责加载下一个阶段。第一个软件阶段是引导 ROM，引导 ROM 代码查找并且执行称为预加载器的第 2 个阶段软件。预加载器如果找到下一个阶段软件，那么对其执行。预加载器和接下来的引导阶段 ( 如果存在 )统称为用户软件。用户软件位于 HPS 的外部并且由用户提供。引导 ROM 代码仅知道预加载器，但不知道接下来任何可能存在的引导阶段。

当处理器从复位（比如上电）释放并且CPU执行内部引导ROM（Boot ROM）中的复位异常处理代码时（通过指定复位向量指定Boot ROM区域实现自动执行Boot ROM），HPS开始进行引导；当引导ROM（Boot ROM）中的代码跳到引导软件的下一个阶段时，引导程序结束。引导软件的下一个阶段被称为预加载器，预加载器可以定制并且通常存储在HPS外部的基于闪存的非易失性存储器。
图1 典型引导流程
处理器可以从以下资源进行引导：

NAND闪存
SD/MMC闪存
Quad SPI闪存
FPGA内核逻辑

Boot ROM

Boot ROM是HPS内核上一段ROM中固化的可执行程序，作用是系统复位之后，执行引导preloader并且将CPU使用权交给preloader进行后续工作的过程。
Boot ROM完成的具体工作还有：

使能指令缓存，branch predictor，浮点单元，NEON 向量单元
设定看门狗定时器，Boot ROM保留适用
根据CLKSEL设定配置MainPLL和外设PLL
根据BOOTSEL设定配置I/O引脚的复用（此处只是完成了QSPI or SPI Flash or SD/MMC controller 的引脚的复用，更多的引脚的复用需要根据preloader才能够完成设定）
初始化FLASH Controller 到默认设置

图2 Boot ROM执行过程
Boot ROM引导的preloader来源分为3类：

片上RAM热启动（对应图2框图①）
如果之前执行过一次preloader，preloader会留在on-chip RAM中，按下热复位按键后，会首先选择从on-chip RAM启动，此过程具有最高优先级，但是从on-chip RAM 启动时会对遗留的preloader代码进行CRC校验（具体是否校验用户可以通过warmramgrp配置决定），校验成功才会执行。这样做防止了用户对on-chip RAM里的内容进行更改！如校验失败，会选择从Flash中启动preloader（对应图2框图③）。
从FPGA部分冷启动（对应图2框图②）
此方式具有第二优先级，如果用户设定了bootsel从FPGA启动，则会等待FPGA配置成功（通过FPGA manager获取FPGA的状态），HPS会通过 HPS-to-FPGA bridge执行位于 0xC0000000（相对于HPS-to-FPGAbridge偏移地址为0）的memory中的指令。
从FLASH存储器冷启动（对应图2框图④）
如果在找不到preloader的话，则会检验FPGA处的回调镜像（callback image），等待复位。对应图2框图⑤、⑥。
说明：
（1）只有冷启动才会选择从FPGA 引导
（2）不论热启动还是FPGA冷启动，如不成功都会进入到了红色框的QSPI启动中
（3）图2框图②中的yes 和 no 由bootsel 决定，图2框图③、④中最后具体是使用哪个FLASH存储器也由bootsel管脚决定。
补充：
（1）以上的冷、热分别表示上电时和已上电。
（2）从断电状态到上电自动产生的复位成为冷复位，冷复位用英文表示Restart。已经通电的情况下给一个复位信号称为热复位，热复位用英文表示Reset。
（3）热启动和冷启动区别：从断电到上电启动成为冷启动；上电的状态下重启系统成为热启动。
（4）热复位和热启动区别：二者既有相同之处又有不同之处，不同在于热复位是复位相关存储器，热启动是重新启动相关设备。

Preloader

preloader（预加载器）的命名相对于BootLoader，其作用类似于PC主板上的BIOS，BIOS在系统启动之前控制着主板上的硬件设备，引导系统启动程序。preloader在HPS中完成的功能主要有系统时钟配置、引脚的复用配置、存储器初始化以及引导用户软件，下一步用户软件可以直接是用户的baremental 程序，也可以不需要bootloader的系统程序，如ucos，或者是操作系统的引导程序，如u-boot（开源引导加载器）。

预加载器被允许从 HPS 可用的任何器件加载下一个阶段引导软件。典型源头包括含有预加载器的同一闪存器件，一个不同的闪存器件或一个如 EMAC 的通信接口。

引导加载器：引导加载器加载操作系统并且将软件控制传递到操作系统。

HPS启动过程中三大典型用户软件架构：
（1）preloader+baremental code
（2）preloader+无bootloader的操作系统（如ucos）+用户定义软件
（3）preloader+bootloader code(如u-boot)+操作系统（如linux）+用户定义软件

preloader具体完成的工作：

初始化SDRAM接口
配置 remap 寄存器，把on-chip RAM 映射至地址0x0，异常会被preloader处理
on-chip RAM 可以被读写，初始地址从0x0对齐
通过scan manager配置HPS I/O
通过system manager配置引脚复用
通过clock manager配置HPS时钟
初始化包含了下一阶段启动代码的FLASH控制器(NAND, SD/MMC, or quad SPI)
启动下一阶段或者将用户代码引导入SDRAM，并把CPU控制权交至下一段代码

Boot Loader

Boot loader(系统引导程序)，操作系统内核运行之前运行的一段程序。它首先完成系统硬件的初始化，包括时钟的设置、存储区的映射等，设置堆栈指针等；然后把操作系统内核从flash区拷贝带ram区，并跳转到内核的入口，将系统的控制权交给操作系统，从此系统的运行和Boot loader再无任何关系。

BootLoader启动方式：

大多数BootLoader都有两种操作模式：启动加载模式和下载模式，BootLoader的组最终目的都是启动内核。

1.启动加载模式（boot loading）
上电后，BootLoader从板子的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程没有用户介入。这种模式是BootLoader的正常工作模式，产品发布时候，BootLoader就工作在这种模式下。

2.下载模式（down loading）
这种模式下，开发人员使用各种命令，通过串口连接或者网络连接从主机上下载文件，将他们直接放在内存运行或者烧入flash类固态存储设备中。以后的系统更新也会使用 Boot Loader 的这种工作模式。工作于这种模式下的 Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

参考文章：
https://blog.csdn.net/qq_51118175/article/details/122052285
http://m.eeworld.com.cn/bbs_thread-454675-1-1.html