英特尔Cyclone V SOC FPGA器件烧写EMMC方案(一、 方案分析)

小梅哥 2021-01-19 00:00

烧写AC506-SOC核心板/AC540-SOC开发板系统到板载EMMC存储器目前总共总结出了3种切实可行的方法,这三种方法各有利弊,分别适用于不同的应用场景。本应用笔记将针对这三种方法,分别进行详细的实现步骤介绍,力争让读者跟着本应用笔记按步骤操作,就能成功的实现EMMC的烧写。


概述

要给Intel Cyclone V SoCFPGA核心板上的EMMC烧写系统,面临的核心问题如下所述。

  1. 该芯片只有一个SDIO接口,接EMMC 的时候不能接SD卡,接SD卡的时候不能接EMMC,或者,换一种说法,SD卡和EMMC不能同时工作。所以想通过SD卡启动Linux系统之后,再在Linux系统下烧写EMMC存储器是行不通的,这一点,与XilinxZynq、以及各种常见的ARM 芯片不一样。XilinxZynq以及各种常见的ARM芯片例如IMX6ULL都有两个SDIO接口,可以一个接EMMC存储器,一个接SDIO控制器,实现从SD卡启动烧写EMMC的功能。

  2. 该芯片仅支持从SDIOQSPINAND FlashFPGA启动,不支持从USB启动。无法像IMX6一样直接用USB烧写系统。所以想通过电脑上弄个小软件来用USB烧写也是有难度的。

 

不管上面所讲述的难点在哪里,难度如何,烧写EMMC存储器的思路有且仅有2个:

  1. SOC FPGA进入UBOOT,在UBOOT下使用UBOOT提供的EMMC烧写命令来烧写EMMC

  2. SOC FPGA进入Linux系统,在Linux系统中使用可用的命令来烧写EMMC,例如dd命令。

 

不管是在UBOOT下烧写还是在Linux系统下烧写,都有一个大前提,就是要先进入UBOOT,毕竟Linux的启动也是需要UBOOT引导,因此,解决UBOOT的加载是第一步工作。

要进入UBOOT,其实方法非常多,比如,使用SD卡启动,或者将UBOOT烧写在QSPI FLASH中,然后从QSPI启动,更有甚者,可以使用USB Blaster直接将UBOOT烧写进SOCRAM中。

所以UBOOT的启动不是问题,问题是硬件的冲突,QSPI的倒还好说,独立硬件信号接口,也不存在多个器件共享兼容的问题。难点在于使用SD卡启动会存在的与EMMC冲突的情况。


使用SD卡启动方案分析

然而该问题虽然难,但也不是不能解决。SD卡和EMMC虽然不能同时工作,但是可以通过巧妙设计,让他们分时工作。比如先从SD卡启动UBOOT,然后在UBOOT下拔出SD卡,把EMMC挂上。所以可以先使用SD卡启动,加载preloaderUBOOT,然后再在UBOOT下把SD卡拔掉,让EMMC挂载,在UBOOT下对EMMC实行烧写操作。这样,使用SD卡启动UBOOT就不耽误EMMC的烧写过程了。

实现该方法的关键点就在于实现SD卡和EMMC的分时工作,事实上这也不难。我们只需要在SDIO接口上同时接上SD卡槽和EMMC存储器,并设计好互斥电路,让SD卡插入时候,EMMC能立即停止工作(比如断电),而当SD卡拔出时候,EMMC能够开始正常工作。由于SDIO接口设计之初就对热插拔提供了良好的支持,所以这种在线插拔切换并不会有任何的风险与问题。

对于切换电路,我们参考英贝特的LarkBoard开发板图纸设计并进行了验证,确定可以使用下述电路来实现该功能。该电路通过SD卡的卡检测信号(SD_CD)作为给EMMC 存储器供电的使能开关。可以实现SD卡插入时自动切断EMMC供电,拔出SD卡后立即恢复对EMMC供电的功能,



SD卡可以在PC上使用专门的烧录工具烧录,非常方便。而且SD卡槽成本很低,不到2块钱,所以该方案性价比很高。

 

使用QSPI启动方案分析

使用QSPI启动方案需要使用一片QSPIFlash来作为UBOOT存储固件,QSPI可以使用Quartus实现UBOOT镜像的烧写。而且QSPI的成本也不是很高,128MbitQSPI FLASH大概12元左右。一次烧好,以后每次都可以用,但是缺点是每次从QSPI切换回EMMC启动需要修改启动设置管脚(如果是设计了有排针或者拨码开关来进行切换倒也不复杂,但是如果是用板载电阻就比较麻烦了)。所以QSPI启动的方案只能放在SD卡启动方案之后考虑。


UBOOT下待烧录固件的存储难题

解决了UBOOT启动的问题,只是解决了在UBOOT下烧写EMMC的第一道难题,第二道难题随之而来,那就是,用来烧写EMMC的文件存放在哪里,又如何将其烧写到EMMC中去呢?一个Linux系统镜像,小则几十兆,多则几个G,这些文件在烧写的时候,必然存在了从一种存储介质中读出,然后烧写入EMMC的过程,所以,烧写时候,从哪里获取镜像文件呢?目前个人总结的比较常用的方案有3种。

  1. SD卡中获取。我们制作的启动SD卡,其FAT分区中是可以存放各种文件的,我们可以将需要用来烧录的镜像文件存储在SD卡的FAT分区中,在UBOOT启动后,先将该固件镜像读取到内存中,然后再卸载SD卡,挂载上EMMC存储器,再将内存中读好的固件镜像烧写进EMMC。此烧写方案最大的瓶颈在于,要将固件先读取到内存,然后卸载SD卡,所以固件镜像的大小不能大于板上DDR3的存储空间大小(还得减去UBOOT运行所占用的16MB存储空间)。当然,也不是一定不可以烧写比板载内存大的镜像,比如我们可以将镜像文件切割成多个小于板载内存空间的小块之后,分多次烧写,只不过这样的话,每烧写一个文件都要插拔一次SD卡,还是蛮麻烦的。但是理论上实现并没有问题。此种方案所需要的外部硬件电路条件最少。

  2.  USB存储设备中获取,例如从U盘中读取。UBOOT下是支持从U盘中读取文件的,所以理论上可以在UBOOT下从U 盘中读取所需烧录的镜像文件,然后写入EMMC中。不过该方案和前面的SD卡存储方案一样,同样存在着文件大小的限制,要烧录大文件也只能使用切割成小块多次烧写的方式,不过好的是,不用每次换文件都重新插拔SD卡了,要方便不少。而且可以使用脚本的方式,自动执行,减少人为干预的过程。


    我也就此方案进行了测试,发现了几个问题,一是这种方案要求电路板必须支持USB Host接口,能够连接U盘。二是目前使用的UBOOT中,对于USB的支持仅限于usb1.1 对应的ohci规范,读写速度很慢,只有1.3MB/S,这个速度,用来烧写较大的系统镜像,耗费的时间就实在是太久了。而且在实际实验时发现,如果每次拷贝的文件大小超过40M,就无响应了,暂不知道问题出在电路上还是程序上,如果是这样的话,那得将文件切割到40M以内,这样的话就更麻烦了。所以此方案虽然理论可行,但是实际操作起来实用价值不大。

  3.  通过网络,使用TFTP协议从远端TFTP服务器下载。这种方法,如果使用百兆网络连接的话,速度可能比U盘下的1.3MB/S还要慢不少,使用千兆以太网速度,应该会快一些。


    通过对此方案进行实验,发现传输速度大概在3MB/S左右。另外,该方案需要有远程TFTP服务器的支持,比如Ubuntu虚拟机,或者在Windows系统上运行TFTP工具。电路板也必须要支持千兆网口。而且,此方案同样受限开发板上内存容量,对于较大的镜像文件,需要分多次传输。不过好的是不需要像SD卡那样频繁插拔,相对来说要方便那么一点点,而且可以使用脚本的方式,自动执行,减少人为干预的过程。


Linux系统烧写方案的系统加载难题

上述三种方案,都是在UBOOT下进行的,由于使用的UBOOT版本问题,以及电路板上DDR3存储器容量的问题,烧写较大的系统镜像都比较麻烦。所以我又尝试了基于Linux系统的MMC烧写方案。

既然是基于Linux系统的烧写方案,那么必然要先让SOC FPGA能够运行起Linux系统。而如果从SD卡中加载Linux的文件系统的话,那么在系统开始加载之后,SD卡就不能拆卸了,这样就无法挂上EMMC,也就无法进行烧写了。所以,要想能够在Linux系统下烧写EMMC,需要解决的核心问题就是如何在没有SD卡的情况下让SOC FPGA运行上Linux系统。这个需求有以下几种方案能够实现:

  1. 使用QSPI FLASH存储Linux的文件系统,这样就不关SDIO啥事了,就可以在Linux系统跑起来后,在Linux系统下烧写EMMC。但是此种方案存在的问题是,Linux系统虽然可裁剪性很强,但是怎么的也得几十上百兆,而QSPI FLASH的存储容量一般都不会太大,要能够存储上百兆字节的文件系统,且不说这样的QSPI FLASH好不好买,就是能买到,其性价比必然也是极低的。所以这套方案从可行性上来说存在很大的挑战。

  2. 使用NAND FLASH存储Linux的文件系统,这样呢,也确实同样不关SDIO啥事,理论上实现没有任何问题,但是这样就需要电路板上有NAND FLASH存储器,而一般使用EMMC存储器的电路板,不会再设计NAND FLASH存储器。所以这种方案并不适合用户自己使用过程中烧写EMMC。但是这个方案非常适合批量烧录场景,针对AC506-SOC核心板,可以设计一个底板,底板上带有NAND FLASH存储器,里面安装Linux系统,批量烧录时,只需要将核心板插上去,运行烧录脚本就能进行烧录。关于文件存储的问题,也可以将代烧录的文件存储在U盘中,在Linux系统下读取U盘并烧写EMMCLinux系统下读取U盘烧写EMMC,达到5MB/S每秒还是很容易的。

  3. 使用网络文件系统(NFS),这种方案,只需要电路板上有网络接口就可以,通过网络,挂载网络上的文件系统。由于文件系统都存储在网络远端服务器上,所以不需要电路板本身拥有多大的FLASH存储容量,而且,待烧写的系统镜像也可以存储在网络服务器上,这样就不用再考虑镜像文件存储在哪里的问题。此种方案,只需要有一个能联网的远端服务器即可,这个服务器既可以是电脑的虚拟机,也可以是另一个嵌入式电路板,如树莓派,香橙派,或者其他的各种常见的ARM开发板。


    综合考虑,可行性最好,兼容性最强的方案就是Linux系统下烧写的方案2和方案3.其中方案2需要专用的硬件底板,所以不适合终端用户使用,但适合批量烧写场景。方案3只需要有网口就能完成烧写,适合终端用户。

介绍了各种烧写方法存在的利弊、挑战和解决方案,接下来就一一介绍各种烧写方法的具体实现步骤。受篇幅所限,该内容在接下来的文章发出。


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