【技术 Xilinx-3】Multiboot的应用
2026 / 4 / 20
感谢X圣开源，前面忘了，后面忘了
Multiboot是什么？简单来说，正常FPGA从FLASH启动只会读取一份bit固件，当flash数据错误或者你需要刷新的bit启动时，就需要重新烧录——而Multiboot提供了一个接口，允许你在同一个Flash中划分地址区域存入多份bit文件，你可以手写一份代码用于指定FPGA从Flash哪个地址开始重新加载，也可以通过预制菜XDC命令，指定当前bit出错时跳转到哪个地址。这样就避免了二次烧录的麻烦工作
准备工作
1-测试工程(可以根据下面给的代码自己生成)
2-测试开发板 XI050CD
3-能正常开发bibabo的电脑
工程说明
测试分为两种应用场景：一种是手写最开始的引导程序，根据条件指定FPGA从哪个地址开始加载（也就是Golden，常见于固件切换）；另一种是直接使用预制菜XDC命令，指定FPGA跳转到哪儿（常见于AB备份切换）
测试工程有两个，一个是Golden，用于切换指定FLASH地址；另一个是LED_Test，用于生成不同点灯bit。通过观察LED的闪烁状态判断当前FPGA工作在哪个bit，有没有发生加载
其中 LED0表示LED0.bit，LED1表示LED1.bit，LED2表示LED2.bit，LED3表示Golden.bit
Golden的代码和xdc如下（根据测试流程有细微变动）
module top ( input i_sys_clk, // 板上稳定时钟 output [3:0] o_led ); //===================================================== // Golden LED指示 //===================================================== reg [22:0] led_cnt; always@(posedge i_sys_clk) led_cnt <= led_cnt + 1; assign o_led[3] = led_cnt[22]; assign o_led[2] = 1'b1; assign o_led[1] = 1'b1; assign o_led[0] = 1'b1; //===================================================== // 延时启动（避免刚上电时序不稳定） //===================================================== reg [24:0] delay_cnt = 0; reg delay_ok = 0; always @(posedge i_sys_clk) begin if (delay_cnt < 25'h1FF_FFFF) begin delay_cnt <= delay_cnt + 1; end else begin delay_ok <= 1; end end //===================================================== // ICAP 控制信号 //===================================================== reg [ 4:0] state = 0; reg [31:0] icap_data; reg icap_csib = 1; reg icap_rdwrb = 0; reg [28:0] target_addr; wire [31:0] icap_data_rev; wire [31:0] WBSTAR; localparam DUMMY = 32'hFFFFFFFF; localparam SYNC_WORD = 32'hAA995566; localparam NOOP = 32'h20000000; localparam WR_WBSTAR = 32'h30020001; localparam WR_CMD = 32'h30008001; localparam IPROG = 32'h0000000F; assign WBSTAR = {3'b000, target_addr};//3位RS配置，29位Flash地址 // bit reverse（ICAP要求） assign icap_data_rev = { icap_data[24], icap_data[25], icap_data[26], icap_data[27], icap_data[28], icap_data[29], icap_data[30], icap_data[31], icap_data[16], icap_data[17], icap_data[18], icap_data[19], icap_data[20], icap_data[21], icap_data[22], icap_data[23], icap_data[ 8], icap_data[ 9], icap_data[10], icap_data[11], icap_data[12], icap_data[13], icap_data[14], icap_data[15], icap_data[ 0], icap_data[ 1], icap_data[ 2], icap_data[ 3], icap_data[ 4], icap_data[ 5], icap_data[ 6], icap_data[ 7]}; //===================================================== // 状态机：控制镜像A B C的加载 //===================================================== localparam ADDR_BIN_GOLDEN = 29'h0000_0000; // Golden地址 localparam ADDR_BIN_A = 29'h0040_0000; // 镜像A地址 localparam ADDR_BIN_B = 29'h0080_0000; // 镜像B地址 localparam ADDR_BIN_C = 29'h00C0_0000; // 镜像C地址 always @(posedge i_sys_clk) begin case (state) 0: begin target_addr <= ADDR_BIN_B; icap_csib <= 1; state <= delay_ok ? state + 1 : state; end // 开始 1: begin icap_csib <= 0; state <= state + 1; end 2: begin icap_data <= DUMMY; state <= state + 1; end 3: begin icap_data <= SYNC_WORD; state <= state + 1; end 4: begin icap_data <= NOOP; state <= state + 1; end 5: begin icap_data <= WR_WBSTAR; state <= state + 1; end 6: begin icap_data <= WBSTAR; state <= state + 1; end 7: begin icap_data <= WR_CMD; state <= state + 1; end 8: begin icap_data <= IPROG; state <= state + 1; end 9: begin icap_data <= NOOP; state <= state + 1; end // 结束 10: begin icap_csib <= 1; state <= state; end endcase end //===================================================== // ICAPE2 原语 //===================================================== ICAPE2 #( .DEVICE_ID (32'h0362C093 ), .ICAP_WIDTH ("X32" ) ) icap_inst ( .CLK (i_sys_clk ), .CSIB (icap_csib ), .RDWRB (icap_rdwrb ), .I (icap_data_rev ), .O ( ) ); endmodule
set_property CFGBVS VCCO [current_design] set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design] set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 1 [current_design] set_property CONFIG_MODE SPIx1 [current_design] set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 22 [current_design] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN W19 } [get_ports i_sys_clk] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN P17 } [get_ports {o_led[0]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V20 } [get_ports {o_led[1]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V22 } [get_ports {o_led[2]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN U21 } [get_ports {o_led[3]}]
LED_Test的代码和xdc如下（根据测试流程有细微变动）
module top ( input i_sys_clk, output [3:0] o_led ); reg [24:0] cnt; always@(posedge i_sys_clk) cnt <= cnt + 1; assign o_led[2] = cnt[23]; assign o_led[0] = 1'b1; assign o_led[1] = 1'b1; assign o_led[3] = 1'b1; endmodule
set_property CFGBVS VCCO [current_design] set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design] set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 1 [current_design] set_property CONFIG_MODE SPIx1 [current_design] set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 22 [current_design] # 启动失败自动回退，回退地址为Golden Image set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGFALLBACK ENABLE [current_design] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN W19 } [get_ports i_sys_clk] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN P17 } [get_ports {o_led[0]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V20 } [get_ports {o_led[1]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN V22 } [get_ports {o_led[2]}] set_property -dict {IOSTANDARD LVCMOS33 PACKAGE_PIN U21 } [get_ports {o_led[3]}]
测试流程
先说Golden方式的测试流程
1-按上面给出的LED_Test工程，修改Verilog工程的assign o_led，xdc保持不变，根据点亮不同LED生成LED0.bit、LED1.bit和LED2.bit备用
2-按上面给出的Golden工程，修改Target addr为你想要的跳转的地址宏定义，默认为B镜像（也就是地址0x00800000开始重加载），生成Golden.bit
3-在Bibabo——>Tools——>Generate Memory Configuration File, 配置如下
Memory Size你知道选啥型号可以选，不知道就直接写大小
FileName自己改路径放mcs文件
固化选SPIx1（这个要和xdc一致）
四个bit依次放入，地址划分按Golden代码里来
勾上Overwrite，不然二次生成的时候会报错已存在文件
4-将Multiboot.mcs烧录进去
5-重新上电（插充电宝或者关Bibabo的Hardware Manager，不然会重加载不了），正常情况就是LED3闪烁一会（Golden工作），然后熄灭，然后LED1开始闪烁（B镜像地址对应LED1.bit）
然后是破坏bit，模拟数据损坏，Fallback功能的测试
1-将上面生成的Multiboot.mcs复制一份命名位Multiboot_Err.mcs
2-使用编辑器（我这边是Vscode+Hex Editer)打开，里面应该有四份bit流，直接搜索bit头跳转到第三个位置（对应LED1.bit），在下面的数据随便改改几处
3-重新烧录，测试现象为，LED3闪烁，熄灭，LED3重新闪烁并重复。说明FPGA从Golden跳出去后没有启动成功，通过LED2.bit使能的Fallback重新回到了Golden，如此循环。
然后是预制菜XDC自动跳转的测试
1-在LED_Test工程中，点亮LED1，并在XDC中增加约束，生成新的LED1.bit
set_property BITSTREAM.CONFIG.NEXT_CONFIG_ADDR 32'h00400000 [current_design]
如果不加该约束，默认Fallback会回到0地址，也就是传统意义上的Golden；现在将其指向0040 0000也就是LED0.bit的地址
2-重新生成Multiboot.mcs
3-跟刚刚一样，修改Multiboot.mcs第三处对应LED1.bit的数据随便改改
4-重新烧录。测试现象为LED3闪烁后，切到LED0闪烁。即Golden运行后，本应切到LED1.bit，但是由于启动失败，Fallback到了指定地址也就是LED0的bit开始工作
注意事项
1-Golden的Flash数据也会坏，那么怎么起到保护作用的呢？答：Golden的代码量可以做到几十行内，对应Flash的数据量可以做的非常小，只能尽可能降低数据损坏的概率。
2-真的随便坏数据都能自动Fallback吗？MCS文件也有帧头帧尾，只能说坏在用户数据都还行，要是AA995566坏了就直接执行不了后面的了；要是30020001 00400000坏了，前半截是Next Addr指令，后半截是具体的跳转地址，可能就跳到别的地方了，然后开始找新的AA995566开始加载。这个我们可以做个测试：
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将Golden指向0040 000也就是LED0.bit的地址
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将LED0工程加入NEXT ADDR的约束指向下一个地址0080 0000
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生成对应MCS文件，并破坏第一个AA995566，破坏第二个AA995566后面用户数据部分
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重新烧录，观察测试现象为，LED3直接不闪烁，长时间后LED1开始闪烁。原因是LED3对应的Golden的同步头没了，直接没加载，一路到0040 0000找到新的文件头，但是这个LED0.bit又被破坏了，进一步Fallback到了LED1.bit开始运行
版本更新
260420：初始版本
260421：完善剩余部分