Nios® V Boot の構成と各 Boot Option の設定について

1. はじめに

この記事では、Nios^® V プロセッサー（以降 Nios^® V）向けのアプリケーション・プログラムを自動起動させるための Boot 方式について紹介します。
Boot 方式としては、Boot Copier、Execute in Place、SDM Boot に対応しており、Generic Serial Flash interface（以降 GSFI）を使用することで、全ての Quad SPI（QSPI）Flash memory から Boot することが可能です。

この記事では Nios^® V で使用可能な Boot Option と各種設定方法を紹介します。

2. Boot 方式の種類

Nios^® V を Boot する方法として下記の Boot 方式があります。

• Boot Copier
  • プログラムをブートソース（QSPI Flash など）から RAM へダウンロードして実行する方式
    
    
• Execute In Place（以降 XIP）
  • プログラムをダウンロードせずに、ブートソースから適時読み出しながら実行する方式
    
    
• SDM Boot 
  • SDM ファームウェアの機能を用いて、プログラムを RAM へダウンロードして実行する方式

それぞれの特徴を【表1】に示します。

【表1】各 Boot option の特徴

Boot 方式	特徴
Boot Copier	・XIP と比較した場合 Cache ミスヒット時の実行速度が速い。 ・Boot Copier を編集することによる柔軟性。 ・Application コードを展開するための RAM 領域が必要。
XIP	・即時起動が可能。 ・ RAM 領域の節約が可能。 ・Boot Copier と比較した場合 Cache ミスヒット時の実行速度が遅い。
SDM Boot	・Stratix® 10 や Agilex™ 7 等の SDM 搭載デバイスで対応。 ・Bootloader 用の RAM と Application 用の RAM が必要。 ・RAM に展開する必要があるため、展開後の動作は Boot Copier と変わらない。

2-1. Boot Copier について

Boot Copier は On-Chip RAM もしくは External RAM に、Application コードを展開して実行する方法です。

Nios^® V では GSFI を使用することを推奨しており、Flash ROM に Application コードを保存して、Nios^® V のリセット解除を契機に以下のフローで Nios^® V が Boot します。

1. Nios^® V のリセットを解除
2. Reset Vector に設定している Flash ROM 上の Boot Copier を Nios^® V が実行
3. Boot Copier により Application コードを RAM にコピー
4. RAM 上の Application コードを Nios^® V が実行

【図1】Boot Copier 利用時のシステム構成図

2-2. XIP について

XIP は Application コードを Flash Controller に割り当てて、Flash ROM 上で Nios^® V を動作させる Boot 方式です。

注記：
Linker srcipt で設定する .rwdata セクション、.heap セクション、.stack セクションのような読み書き可能なデータ領域は Flash の書き換えを伴うため、XIP の構成で使用する場合であっても必ず RAM に配置する必要があります。

GSFI に接続している Boot Memory に Application コードを保存して、リセット解除を契機に以下のフローで Nios^® V が実行されます。

1. Nios^® V のリセットを解除
2. Reset Vector に設定している Boot Memory 上の Application コードを Nios^® V が実行

【図2】XIP 利用時のシステム構成図

2-3. SDM Boot について

SDM Boot は Stratix^® 10 FPGA や Agilex™ 7 FPGA 等、SDM を搭載したデバイスを対象に、SDM に接続されている Boot Memory に Application コードを格納して Nios^® V を起動する方法です。

SDM とはセキュア・デバイス・マネージャーの略称であり、セキュリティ機能の強化を目的としたモジュールです。詳細は下記をご参照ください。

参考資料：Agilex™ FPGA 「セキュリティ」編

SDM ブートは以下のフローで実行されます。

1. Nios^® V のリセットを解除
2. Nios^® V は On-Chip Memory から SDM bootloader を実行
3. SDM に接続された Boot ROM に格納されている Application コードを、SDM bootloader が On-Chip RAM や External RAM にコピー
4. On-Chip RAM もしくは External RAM 上の Application コードを Nios^® V が実行

【図3】SDM Boot 利用時のシステム構成図

3. 各 Boot Option の紹介

Boot 方式と Boot Memory の組み合わせによって、Nios^® V を Boot させる方法は 4 種類に分かれます。

Boot Option の種類ごとに記事が用意されていますので【表2】のリンクからご参照ください。

【表2】Boot Option の種類

Boot Option	Boot Memory	Application コードの格納先（ブートソース）	Application 実行時の場所	Boot Copier	User Guide Link
GSFI Boot (Boot Copier)	QSPI Flash Memory （AS Configuration）	QSPI Flash Memory	RAM （内部、外部）	GSFI bootloader	User Guide
GSFI Boot (XIP)	QSPI Flash Memory （AS Configuration）	QSPI Flash Memory	QSPI Flash Memory	alt_load() 関数	User Guide
SDM Boot	QSPI Flash Memory （AS Configuration）	QSPI Flash Memory	RAM （内部、外部）	SDM bootloader	User Guide
On Chip RAM Boot	On chip Memory (On chip RAM)	On chip RAM	On chip RAM	Boot Copier なし	User Guide
TCM Boot	Tightly Coupled Memory （TCM）	Instruction TCM	Instruction TCM	Boot Copier なし	User Guide
On chip Flash Boot (Boot Copier) *Max 10 向け	On chip Flash (User Flash Memory)	User Flash Memory	On chip RAM	Boot Copier	-
On chip Flash Boot (XIP) *Max 10 向け	On chip Flash (User Flash Memory)	User Flash Memory	User Flash Memory	alt load() 関数	-

下記の参考資料に各種設定のサマリーが記載されていますのでこちらもご参照ください。　

参考資料：Nios® V Embedded Processor Design Handbook 4.3. Nios® V Processor Booting Methods

おわりに

この記事では Nios^® V で使用可能な Boot Option と各種設定方法をご紹介しました。

この記事を参考に 各種 Boot Option の特徴をご理解頂いたうえで、お客様の仕様に合った方法をご検討いただけますと幸いです。

Nios^® V プロセッサーに関する情報については、下記メーカーのページより詳細をご確認いただけますので併せてご参照ください。

• Nios^® V Processor Developer Center

また、弊社では Nios^® V に関する情報をまとめた「Nios^® V まとめページ」をご用意しております。本記事以外にも有用な情報がありますので、こちらも併せてご確認ください。