Nios® II Boot Option ~ Generic Serial Flash Interface を使った Boot 方法 ~

もくじ

• 1. はじめに
• 2. 概要
• 3. その他 IP と Quartus^® Prime で必要な設定
• 3-1. その他 IP のパラメーター設定
• 3-2. Quartus^® Prime の設定
• 4. Generic Serial Flash Interface のパラメーター設定
• 4-1. AS Interface と User I/O Interface の設定
• 4-2. Addressing と Clock Baudrate 設定
• 4-3. Standard（×1）Boot の設定内容
• 4-4. QUAD（×4）Boot の設定内容
• 4-5. 【参考】Read Instruction Code 一覧表
• 5. Nios^® II SBT の設定
• 5-1. Boot Copier で起動する場合の Nios^® II 設定
• 5-2. XIP で起動する場合の Nios^® II 設定
• 6. Programming File の生成方法
• 6-1. Boot Copier の場合の ELF to HEX コマンド
• 6-2. XIP の場合の ELF to HEX コマンド
• 6-3. JIC / POF ファイルの生成方法

1. はじめに

このコンテンツでは、Generic Serial Flash Interface Intel^® FPGA IP（以下 GSFI）を使用して、Boot Copier 又は XIP（Execute in Place）で Nios^® II を Flash ROM（Quad SPI Flash）から Boot させる方法をご紹介します。

GSFI に関しては下記コンテンツをご参照ください。

参考：Generic Serial Flash Interface Intel^® FPGA IP User Guide

参考：Generic Serial Flash Interface (GSFI) and Nios II Booting Quick Start Guide

参考：>Embedded Peripherals IP - Generic Serial Flash Interface サンプル

XIP と Boot Copier の違いについては、以下のコンテンツをご参照ください。

参考：Nios® II Boot の種類 と 各 Boot Option における設定方法について 

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2. 概要

下記コンテンツに記載されている「Boot と Flash Controller の関係性」や「構築方法の基本的な考え方」に大幅な変更はありません。

参考：Embedded Peripherals IP - 各種 Flash Controller の比較 > 3. Nios® II Boot との関係性

参考：Nios^® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用)

参考：Nios^® II Boot Option ~ QSPI Flash ~ (User I/O IF を使用)

しかしながら、Flash Controller を GSFI に変更することによって、下記 2 点の注意点があります。

• I/O Mode（Standard/QUAD）と Flash ROM の仕様に合わせて GSFI のパラメーター設定が必要である
• Nios^® II SBT の mem_init に対応していない為、コマンドで HEX ファイルを生成する必要がある

この 2 点を含めて解説していきます。

今回、解説に使用した Platform Designer の構成は【図1】の通りです。

【図1】Platform Designer 構成例

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3. その他 IP と Quartus^® Prime で必要な設定

3-1. その他 IP のパラメーター設定

Platform Designer において、Nios^® II など GSFI 以外で必要な設定は従来通りです。
下記コンテンツも併せてご参照ください。

参考：Nios^® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用)

参考：Nios^® II Boot Option ~ QSPI Flash ~ (User I/O IF を使用)

Nios^® II Processor パラメーター設定にある Reset Vector Offset の設定は、Flash ROM のどのアドレスに Nios^® II ソフトウェアを格納するかを設定します。

Configuration ROM に格納する（AS Interface を使用する）場合は、下記情報を参考に設定してください。
User I/O に接続された Flash ROM に格納する場合は、格納したいアドレスを自由に設定してください。

参考：Nios^® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用) > Reset Vector offset の設定方法

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3-2. Quartus^® Prime の設定

Configuration ROM の中に Nios^® II ソフトウェアを格納する場合は、GSFI の パラメーター設定と Quartus^® Prime の Configuration scheme の設定を合わせる必要があります。

Assignments tab ⇒ Device ⇒ Device and Pin Options ⇒ Configuration を開いて、【図2】に示す項目を設定してください。

• Standard Boot の場合、Active Serial ×1（can use Configuration Device）
• Quad Boot       の場合、Active Serial ×4（can use Configuration Device）

【図2】Quartus^® Prime の Device and Pin Options

JIC または POF ファイルを Configuration ROM に書き込むと、Flash ROM の容量 と AS×1 / AS×4 の組み合わせによって、Nonvolatile Configuration Register に書き込まれる Dummy cycles の値が変わります。

AS（Active Serial）Interface を使用している場合、GSFI の パラメーター設定 と Configuration scheme 設定が合っていないと、正しく Boot させることができません。下記情報を参考にダミーサイクルの値を確認して、GSFI のパラメーター調整を行ってください。

参考：Intel Supported Third Party Configuration Devices

参考：Why does Active Serial (AS) configuration fail in Stratix V, Arria V, and Cyclone V devices when using an EPCQ device which is programmed in an embedded environment?

User I/O Interface を使用している場合、Nonvolatile Configuration Register の書き換えを行わないため、Nonvolatile Configuration Register の値を確認しておく必要があります。必要に応じて書き換えや GSFI のパラメーター調整を行ってください。

下記サンプル・ソフトウェアのメモリーテストにて Nonvolatile Configuration Register を確認できます。

参考：Embedded Peripherals IP - Generic Serial Flash Interface サンプル

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4. Generic Serial Flash Interface のパラメーター設定

Platform Designer における、GSFI のパラメーター設定は、Show/Hide Hidden Parameters という設定で普段は隠れています。【図3】に GSFI レジスター設定の初期値を示します。

Default Settings の項目を設定することで、IP 起動後の初期値を設定しておくことができます。電源投入後 Nios^® II が Boot できるように、Default Settings の項目を設定しておきます。

下記コンテンツを参考に、レジスターの内容とパラメーター設定の表示方法を確認してください。

参考：Embedded Peripherals IP - Generic Serial Flash Interface サンプル

【図3】GSFI Default Settings の 初期値

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4-1. AS Interface と User I/O Interface の設定

GSFI の Flash ROM との接続は、AS（Active Serial）Interface 、User I/O どちらにも対応しています。

AS Interface の場合は、デフォルトの設定で問題ありません。そして、FPGA 外部 PIN に明示的に接続する必要もなく Tool にて自動的に AS Interface への接続を行います。

User I/O の場合は、【図4】のように、"Disable dedicated Active Serial interface" と "Enable SPI pins interface" の設定を有効にします。Flash ROM に接続する信号を Export させ、Flash ROM につながる FPGA 外部 PIN に直接接続してください。また、タイミング制約ファイル（SDC ファイル）も忘れずに記述してください。

参考：Quartus® はじめてガイド - タイミング制約の方法

【図4】GSFI User I/O 設定

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4-2. Addressing と Clock Baudrate の設定

Addressing の設定は Control Register で行います。容量の大きさによって設定する内容が異なります。

Flash ROM アクセス周波数（DCLK）の設定は、Clock Baudrate Register で行います。GSFI の動作周波数からどのくらい分周するかを設定します。動作周波数の 1/2 ~ 1/32 まで設定できます。

【表1】Addressing と Clock Baudrate の設定例

Register Name	Default Value	Setting Example
Control Register	0x00000001	128 以下 (3byte Addressing) : 0x00000001 256 以上 (4byte Addressing) : 0x00000101
Clock Boudrate Register	0x00000010	動作周波数の 1/2 : 0x00000001 動作周波数の 1/32 : 0x00000010

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4-3. Standard（×1）の設定内容

I/O Mode の設定は Protocol Settings Register で行います。I/O Mode が Standard の場合はデフォルトの設定にします。

Read opcode の設定は Read Instruction Register で行います。 I/O Mode と Flash ROM の型番によって設定内容が異なります。ここでは EPCQ256 での設定例をご紹介します。

【表2】Standard（×1）の場合における I/O Mode と Read opcode の設定

Register Name	Default Value	Setting Example of EPCQ256
Protocol Settings Register	0x00000000	デフォルト設定で OK
Read Instruction Register	0x00000003	Flash ROM の仕様に合わせて設定 [12:8] : Dummy cycles : 0x0 [7:0] : Read opcode : 0x03

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4-4. QUAD（×4）の設定内容

I/O Mode の設定は Protocol Settings Register で行います。I/O Mode が QUAD の場合、Protocol Settings Register の Read Data と Read Address の設定を Quad（0x2）に変更します。

Read opcode の設定は Read Instruction Register で行います。 I/O Mode と Flash ROM の型番によって設定内容が異なります。ここでは EPCQ256 での設定例をご紹介します。

【表3】QUAD（×4）の場合における I/O Mode と Read opcode の設定

Register Name	Default Value	Setting Example of EPCQ256
Protocol Settings Register	0x00000000	0x00022000 [17:16] : Read Data out transfer mode : 0x2 [13:12] : Read Address transfer mode : 0x2
Read Instruction Register	0x00000003	Flash ROM の仕様に合わせて設定 [12:8] : Dummy cycles : 0xA (EPCQA の場合は 0x6) [7:0] : Read opcode : 0xEB

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4-5. 【参考】Read Instruction Code 一覧表

参考として【表4】に 各 Flash ROM の Read Instruction Register 設定例を記載します。

 注記：
ユーザーガイドに記載の内容をもとにまとめていますので、Flash ROM の仕様を再度確認し検証を行ってください。

【表4】Read Instruction Code 一覧表

Flash ROM Name (*1)	Vender	Standard		QUAD
		Read opcode	Dummy cycles	Read opcode	Dummy cycles (*2)
EPCQ64	Intel®	0x03	0x0	0xEB	0xC
EPCQ256	Intel®	0x03	0x0	0xEB	0xA
EPCQA128	Intel®	0x03	0x0	0xEB	0x6
N25Q64A	Micron	0x03	0x0	0xEB	0xC
MT25QL256	Micron	0x03	0x0	0xEB	0xA
MX25L256	Macronix	0x03	0x0	0xEC	0x6
IS25LP256	ISSI	0x03	0x0	0xEC	0xC

 注記：

*1. Third Party Flash ROM の User Guide は各ベンダーから取得ください。

*2. Nonvolatile Configuration Register のレジスターの値によっては、Dummy cycles の調整が別途必要な場合があります（ 3-2. Quartus® Prime の設定 をご参照ください）。

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5. Nios^® II SBT の設定

4 章までの設定が完了したら、Platform Designer の Generate HDL を実行し、SOPCINFO ファイルを生成します。Quartus^® Prime もコンパイルを行い SOF ファイルを生成しておきます。

その SOPCINFO ファイルを使用して、Nios^® II SBT で Project を生成します。BSP の設定変更と Build を実行し、ELF ファイル（実行ファイル）を生成します。

 ポイント：

1. Boot の確認を行う際は、本番で使用するソフトウェアではなく、一旦 Hello World や LED を点灯させるだけなど、簡単なソフトウェアを使って検証を行うと、ソフトウェアの記述が原因で Boot ができないことなどが少なくなるため、スムーズに Boot の検証が行えます。
   
   
2. Boot の状態を UART Core（または JTAG UART）に出力することができます。【図5】のように
   BSP Editor ⇒ Main tab ⇒ Advanced ⇒ hal ⇒ log_port : value に、UART Core（または JTAG UART）を設定すると Boot のログが出力されます。「どこまで処理が進んだのか」、「main 関数が呼ばれたのか」を Terminal 上で確認できます。
   BSP Editor ⇒ Main tab ⇒ Advanced ⇒ hal ⇒ log_flags : value に数値を入れることで、表示されるログの数が増えます。（【図5】は log_flags = 0 と設定しています）

【図5】Boot Log Port 設定

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5-1. Boot Copier で起動する場合の Nios^® II 設定

Boot Copier は、Linker Section をすべて RAM（On Chip RAM または 外部 RAM）に設定し、Flash ROM から RAM に必要なデータを Boot Copier と呼ばれる Boot Loader で展開して Nios^® II を動作させる方式です。

Boot Loader ですべて展開してくれますので、hal.linker の設定はすべて OFF にします。

【図6】に設定例を示します。

メモ：
【図6】は Nios^® II パラメーターにおける Vectors タブの設定が下記の場合の例です。

・Reset vector memory ： GSFI 
・Exception vector memory ： On Chip RAM 又は外部 RAM

詳しくは下記コンテンツをご覧ください。

 参考：Nios^® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用) > 3-2. Boot Copier  構成における Nios® II SBT の BSP Editor 設定

 参考：Nios® II Boot Option ~ QSPI Flash ~ (User I/O IF を使用) > 3-2. Boot Copier 構成における Nios® II SBT の BSP Editor 設定

【図6】Boot Copier における Nios^® II SBT BSP Editor 設定

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5-2. XIP で起動する場合の Nios^® II 設定

XIP（Execute in Place）は Linker Section の .text 領域を Flash Controller に割り当てて、Flash ROM 上で Nios^® II を動作させる方式です。

.text 以外の Section を RAM に格納する設定にした場合は、Boot 時に RAM に展開するために alt_load の設定を有効にする必要があります。

【図7】に設定例を示します。

【図7】の Linker Section 設定の場合は、hal.linker の設定はすべて ON にします。

メモ：
【図7】は Nios^® II パラメーターにおける Vectors タブの設定が下記の場合の例です。

・Reset vector memory ： GSFI 
・Exception vector memory ： On Chip RAM 又は外部 RAM

Exception vector memory も GSFI に設定した場合は、alt_load 設定の "enable_alt_load_copy_exceptions" を OFF にします。詳しくは下記コンテンツをご覧ください。

 参考：Nios^® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用) > 2-2. XIP 構成における Nios® II SBT の BSP Editor 設定

 参考：Nios^® II Boot Option ~ QSPI Flash ~ (User I/O IF を使用) > 2-2. XIP 構成における Nios® II SBT の BSP Editor 設定

【図7】XIP における Nios^® II SBT BSP Editor 設定

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6. Programming File の生成方法

GSFI を使った Nios^® II Boot の場合は、mem_init が対応していないため、Flash ROM に格納する HEX ファイルの生成は、Nios^® II Command Shell にてコマンドで生成します。

Boot Copier と XIP によって実行するコマンドが異なります。

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6-1. Boot Copier の場合の ELF to HEX コマンド

Boot Copier 用 HEX ファイルの生成手順を記載します。Run As で Nios^® II ソフトウェアが動作することを確認してから、HEX ファイルを生成してください。

1. 1. Nios^® II SBT の Application フォルダーに boot_loader_cfi.srec を下記パスからコピーします。
      C:\intelFPGA\20.1\nios2eds\components\altera_nios2\boot_loader_cfi.srec
      
      ポイント： 上記は ver 20.1 を例にしたパスですので、ご使用のバージョンに合わせて変更してください。
       ポイント： 絶対パスでコマンドが動かないなどを避けるためにコピーします。
      
      
   2. Nios^® II SBT にて Application フォルダーを右クリックし、Nios^® II ⇒ Nios^® II Command Shell を起動します。
      
       ポイント： Application フォルダーのパスで起動します。
      
      
   3. alt-file-convert.exe コマンドの引数を環境に合わせ込み実行します。下記にコマンド例を示します。

alt-file-convert.exe -I elf32-littlenios2 -O hex --input=Boot_LED_Check.elf --output=GSFI_BOOT.hex --base=0x02000000 --end=0x03ffffff --reset=0x02420000 --out-data-width=8 --boot=boot_loader_cfi.srec

＜コマンド引数の解説＞

alt-file-convert.exe -I elf32-littlenios2 -O hex --input=<ELF File Name> --output=<HEX File Name> --base=<GSFI BASE Address> --end=<GSFI END Address> --reset=<Reset Vector> --out-data-width=8 --boot=boot_loader_cfi.srec

• GSFI BASE Address , GSFI END Address は、Platform Designer で設定した値です。
• Reset Vector = GSFI BASE Address + Reset Vector Offset は、Nios^® II パラメーターで設定した値です。

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6-2. XIP の場合の ELF to HEX コマンド

XIP 用 HEX ファイルの生成手順を記載します。一度 Boot Copier の設定に変更し、Run As で Nios^® II ソフトウェアが動作することを確認してから、XIP の設定に戻し HEX ファイルを生成してください。XIP のデバッグに関しては下記をご参照ください。

参考：XIP 構成におけるデバッグの方法

1. 1. Nios^® II SBT にて Application フォルダーを右クリックし、Nios^® II ⇒ Nios^® II Command Shell を起動します。
      
       ポイント： Application フォルダーのパスで起動します。
      
      
   2. elf2hex.exe コマンドの引数を環境に合わせ込み実行します。下記にコマンド例を示します。

elf2hex.exe Boot_LED_Check.elf 0x02000000 0x03ffffff --width=8 --little-endian-mem --create-lanes=0 GSFI_BOOT_XIP.hex

＜コマンド引数の解説＞

elf2hex.exe <ELF File Name> <GSFI BASE Address> <GSFI END Address> --width=8 --little-endian-mem --create-lanes=0 <HEX File Name>

• GSFI BASE Address , GSFI END Address は、Platform Designer で設定した値です。

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6-3. JIC / POF ファイルの生成方法

Convert Programming File で JIC / POF ファイルを生成します。

AS Interface の Configuration ROM に格納する場合は、JIC ファイルを生成して、Quartus^® Prime Programmer を使用して JTAG 経由で書き込むことができます。

User I/O Interface に接続した Flash ROM に格納する場合、POF ファイルを生成して、PFL (Parallel Flash Loader) を内蔵したデザインと Quartus^® Prime Programmer を使って JTAG 経由で書き込みができます。

また、Convert Programming File にて Create config data RPD を有効にしておくことで、JIC / POF のバイナリーファイルを同時に生成することができます。

JIC ファイルを生成する場合は、下記コンテンツをご参照ください。

参考：Nios® II Boot Option ~ EPCQ Flash ~ (AS IF を使用) > 4-2. JIC ファイルの生成

POF ファイルを生成する場合は、PFL も含めて下記コンテンツをご参照ください。

参考：Nios® II Boot Option ~ QSPI Flash ~ (User I/O IF を使用) > 4-2. POF ファイルの生成

 ポイント：
XIP の場合、HEX ファイルの設定によって Absolute addressing がうまく機能しない場合があります。
その際は下記 FAQ をご参照ください。

参考：Convert Programming Files の Relative Addressing で HEX の格納アドレスを調整する方法を教えてください。

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弊社では Nios^® II に関する各種情報をまとめた「Nios^® II 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満載ですので、こちらも併せてご確認ください。