Intel FPGA Arria 10 SoC（上）- 硬件设计篇

【时间：2024 年 06 月 12 日, 来源：Cytech Engineer, 作者：Alvin Ma】

本文《Arria 10 SoC（上）- 硬件设计篇》为大家讲解从Quartus的参考工程开始，逐步介绍SoC器件的ARM端在FPGA内如何进项配置，搭建最小系统，能让ARM跑起来。在下一篇《Arria 10 SoC（下）- 软件启动设计篇》一文中，将讲述如何运用Quartus编译产生的文件来产生ARM的boot文件，以及简单的调试介绍。

对于Intel PSG的SoC类产品，许多人比较陌生，而SoC类产品，因为集成了ARM在内，功能比较全面；本篇介绍Arria 10 SoC 内FPGA侧的最小系统设计，直至ARM的Uboot引导成功，便于不了解Intel SoC类产品的工程师，快速上手，理解SoC的启动流程及最小系统搭建。Intel SoC FPGA的ARM侧设计，基于Qsys完成，在17.0之后的版本内，称之为Platform Design。

一、Intel SoC 最小系统

Intel针对每一代的器件的SoC都有一套完整的示例工程GSRD(Golden System Reference Design)。这其中提供了一组基本的硬件和软件系统组件，可以作为各种自定义用户设计的起点。

GHRD位于intelFPGA\18.1\embedded\examples\hardware。

注：该GSRD的外设所对应的是其官方开发板。以下链接为GHRD的详释。

我们骏龙科技针对Cyclone V与Arria 10两款FPGA，同样有对应的开发板。我们称之为Borax Module 以及 Silic SoC Module。该开发板对应资料都是公开的，如有需求，可与我们骏龙科技联系。

"Borax SOC模块持续热销"
图 1 骏龙科技Borax SOC模块持续热销
图 2 骏龙科技Arria 10 SOC模块Silic正式发售

本篇的Boot Flow流程介绍基于GHRD开始。

二、Qsys的最小系统设计及介绍

以Arria 10的GHRD为例，当打开ghrd_10as066n2.qsys后，其核心组件如下，其中包含A10的HPS组件以及ARM侧DDR的参数配置。该最小系统暂时不考虑交互模式，故不考虑时钟域问题。 ARM侧有专用的Pin提供时钟输入，范围为10~50Mhz。

"Qsys最少系统"
图 3 Qsys最少系统

Arria 10的HPS组件（Intel 将ARM侧称之为Hard Processor System） 打开HPS组件，如下：

图 4 HPS组件

分为FPGA Interface，HPS Clocks and Reset，Pin Mux and Peripherals，SDRAM四个子标签，每个子标签内有对应的配置内容。

FPGA Interface 

General

为一些通用设置，如使能一些信号以便调试使用，这其中用到的相对较少，可根据需求，自己选择，具体用法参考Hard Processor System Technical Reference Manual 手册内第27章节，有详细描述。

Boot and Clock Selection

Intel的SoC系列FPGA加载方式较为灵活，可从ARM侧引导，可从FPGA侧引导，也可分开各自引导。当您选择从FPGA加载时，需勾选Enable boot from FPGA signals以及 Enable boot selection from FPGA，以便引出boot信号与FPGA侧相连。

HPS FPGA Bridge

与FPGA侧交互的核心部分，该交互桥分为3种形式：

  • FPGA：

ARM的Bridge, 以FPGA作为Master，位宽从32bit-128bit可配，FPGA通过总线对ARM访问，因为Master是FPGA，故FPGA可访问所有地址区（0-FFFFFFFF,4G空间），使用该总线，操作需谨慎。

  • ARM：

FPGA的Bridge，常用数据总线，位宽从32bit-128bit可配，作为ARM的外设存在，对FPGA进行访问。对于ARM而言，其外设地址为0xC0000000，长度为960M，在该地址后加上偏移量即ARM所看到的FPGA内模块的地址区。偏移量在Qsys组件内可定义。 比如，在Qsys内例化了一个On chip Memory，其使用的是FPGA的RAM资源，在Qsys内定义的地址区为100~3FFFF, 那么对于ARM而言，找到这个外设的地址为0xC0000000+100，结束地址为0xC003FFFF。

  • LW ARM - FPGA Bridge：

轻量级的外设桥，该桥仅32bit可配，外设入口地址为0xFF200000，容量为2M，常用于ARM与FPGA间的控制信号交互，如写FPGA侧寄存器，状态同步等。外设入口地址为0xFF200000，容量为2M，常用于ARM与FPGA间的控制信号交互，如写FPGA侧寄存器，状态同步等。

此处，后两个Bridge因为是以ARM作为Master, 而Cortex-A9的ARM(ARM-V7为  32bit处理器)，其寻址空间仅为0-FFFFFFFF，所以分配给每一个外设的空间有限，如下图所示：

图 5 ARM地址映射

FPGA – HPS SDRAM Interface

这其实也是一个Bridge，用于FPGA访问ARM端的SDRAM。 这也是一种常用的数据交互方式，如，在ARM侧的SDRAM内开辟出某一空间段作为共享内存区(如1GB – 2GB空间段)，FPGA可通过该接口将数据写入，当写完某一段数据后通知ARM读走。该方式适用于大数据量的交互，直接写到SDRAM内，不用通过L3总线桥接，效率较高，但数据的一致性，以及FPGA与ARM的读写速度比需要控制。（桥接方式由ACP接口来保证数据的一致性）

该桥有4种方式用于配置，可同时存在多个Port，如下：

图 6 FPGA-HPS DDR交互配置

后面的DMA, Security, Interrupt等，暂不在这份boot文档内多描述，有兴趣可以参考TRM手册使用。 

HPS Clocks and Reset

  • Input Clocks :

该标签下，有一项较为重要的是External Clock Source, 该时钟为外部送入时钟，由使用者自定义的，常用为25M，范围为10-50M。

  • Internal Clocks and Output Clocks:

默认情况下，MPU的主频为当前芯片速度等级所支持的最大频率（-3/800M,-2/1G,-1/1.2G），若需调整MPU，可使能Override default MPU clock,如下图: 

图 7 ARM 主频调整

时钟设置完，在最下端，会有pll report的参数列，告知pll的参数配置，该配置会直接体现在handoff文件夹内的，hps.xml文件内，由他去影响uboot阶段的时钟初始化。

  • Reset:

当使能FPGA-HPS warm/clod reset request时，会在fpga端产生相应的复位信号，即FPGA可控制ARM的冷热复位，常用于FPGA与ARM的系统级握手，也可作为人工定制的看门狗使用。

Pin Mux and Peripheral

该标签栏下有3个子标签，IP Selection, Advanced Pin and Placement, Advanced FPGA Placement。虽有3个子标签，但其产生的作用都是一样的，皆为ARM侧Pin脚的约束。

IP Selection

  • 该标签下，根据所选择的IP，在apply后会自动去分配IO。

Advanced Pin and Placement

  • 个人较为倾向于在该标签栏内设置，由于ARM的Pin脚是复用的，该标签内给出了17的专用IO以及48个共享IO的所有可能性，可灵活配置。

Advanced FPGA Placement

因为芯片是集FPGA与ARM为一体，所有两者的IO可以互相share，若当ARM侧的IO放不下时，可将部分IO放在FPGA的其他Bank上，常见如：第二路EMAC，其与Nand相冲突，当使用Nand时，可将其分配至FPGA侧。

注：当GPIO share时(share bank内arm不用的IO给FPGA用)，是按照IO列分配的，一次性12个，不能将单独的某一个IO share。

SDRAM 

SDRAM在物理上用的还是FPGA的DDR控制器，FPGA的DDR控制器存在于每个IO Bank上(这一点与Cyclone V不同)。所以在uboot加载时，需要先将FPGA的IO配置起来，否则，uboot阶段的校准无法完成(ARM侧DDR的参考时钟最好独立给)。

此处调用的IP名为 External Memory Interface for HPS，配置界面与FPGA侧的EMIF IP一致。

需要注意的是：ARM侧的DDR占用整个片子上的2K,2J两个Bank，受制于Arria 10 EMIF控制器的硬件约束，其所能使用的IO 共40bit，其中8bit作为ECC存在，故最大只能到32bit的DQ位宽。而且，ECC的bank 位置是固定的，不可随意调整，DQ组的顺序也有要求，这点跟FPGA不一样，FPGA内的DQ组与组之间可随意调整。从调试经验看，百分之八十的uboot起不来，Kernel无法正常引导都是由DDR异常造成的。

以上为SoC Qsys内最小系统设计，该系统已可正常引导uboot及kernel，其他接口可基于该系统自行添加。

三、总结

从上面的介绍中，可以看到当使用SoC芯片时，我们需要在Quartus工程内做一些关于ARM的配置，我们称之为最小系统，确保ARM可以正常跑起来，后续的扩展设计可基于该最小系统展开。如您对此还有疑问，可点击下方[联系我们]，提交您的疑问，我们骏龙科技公司愿为您做更进一步的分析与答疑。

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