Nios® II Boot Option ~ On Chip Flash (UFM) ~ (MAX® 10 のみ)

1. 概要 (IP 等も含めた構成図)

このコンテンツでは、Boot Copier 又は XIP で インテル^® MAX^® 10 FPGA の UFM から Nios^® II プロセッサーを Boot させる為に、最低限必要な IP の各種パラメーターと BSP Editor の設定、各種ファイルの生成方法を説明します。

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

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

また、弊社のホームページにて、同様のコンテンツを用意しておりますので、そちらもご参照ください。

・MAX^® 10 の UFM で Nios^® II をブートさせてみよう ［前編］

最低限必要な IP は下記の通りです （インテル^® Quartus^® Prime 開発ソフトウェア ver 18.1 の場合）。

• Nios^® II Processor
• On-Chip Memory (RAM or ROM) Intel^® FPGA IP：実行メモリー
• On-Chip Flash Intel^® FPGA IP：Boot メモリー (UFM)

Platform Designer で構築すると 図1 のようになります。

図1：Platform Designer  構成

以降、各種パラメーターの設定について説明します。

1-1. Nios^® II Processor

Reset Vector / Exception Vector を設定します。
XIP か Boot Copier のどちらの方式を使用するかによって設定が異なりますので、
「2. UFM から XIP で実行する際の Nios® II 設定」

「3. UFM からBoot Copier で実行する際の Nios® II 設定」

で説明します。

1-2. On-Chip Memory (RAM or ROM) Intel^® FPGA IP

図2 のように、ソフトウェア実行に必要な Total Memory Size を設定してください。

図2：On-Chip Memory パラメーターの設定例

1-3.  On-Chip Flash Intel^® FPGA IP 

Configuration Mode / Flash Initialization を設定します。

図3：On-Chip Flash パラメーター設定例

1-3-1. Configuration Mode

UFM Boot をサポートする Configuration Mode は、

• Single Uncompressed Image
• Single Compressed Image
• Dual Compressed Images

の3つです。システム仕様に応じて選択してください。

また、下記のユーザガイドにて UFM の詳細な仕様を確認できます。
・[Intel® MAX® 10 User Flash Memory User Guide]
・[Intel® MAX® 10 FPGA Configuration User Guide]

1-3-2. Flash Initialization

Boot させるソフトウェア・ファイル (HEX ファイル) を UFM に保存させる方法は2つあり、
方法によって Flash Initialization の設定が異なります。
主に、UFM の初期値ファイルとして HEX ファイルを登録するかどうかで設定が変わります。

<方法1：SOF ファイルに、UFM の初期値として、HEX ファイルを持たせる方法>

• Flash Initialization > Initialize flash content を ON
• Nios^® II Software Build Tools (SBT) for Eclipse の Make Target > mem_init_geenrate で生成される meminit.qip をプロジェクトに登録し、Convert Programming Files で SOF ファイルを POF ファイルに変換

これで HEX ファイルを UFM の初期値として SOF ファイルに持たせることができ、POF ファイルにも HEX ファイルを持たせることができます。

図4： SOF ファイルに UFM の初期値として HEX ファイルを持たせる方法の設定

<方法2：POF ファイルに、SOF ファイルと UFM に書き込む HEX ファイルを持たせる方法>

• Flash Initialization > Initialize flash content を OFF
• Nios^® II SBT で Make Target > mem_init_geenrate で生成される HEX ファイルを Convert Programming Files で SOF ファイルと共に POF ファイルに変換

これで、HEX ファイルを SOF ファイルと共に、POF ファイルに持たせることができます。

図5： POF ファイルに HEX ファイルを持たせる方法の設定

ファイルの生成方法は、「4. Programming File の生成方法」 で詳しく説明します。

 

2. UFM から XIP で実行する際の Nios® II 設定 

Nios^® II Processor の Reset Vector / Exception Vector の設定や BSP Editor の設定を説明します。

XIP で Nios^® II を Boot させる場合、Nios^® II Processor の Vectors 設定は 2種類あります。

1. Reset Vector / Exception Vector 共に UFM を設定
2. Reset Vector に UFM、Exception Vector に On-Chip RAM 又は 外部 RAM を設定

図6： Nios^® II Vectors 設定 (XIP)

Exception Vector に RAM を設定することで、Flash に比べて例外処理を高速に動作させることができますので、Nios^® II のパフォーマンスを上げることができます。

また、Exception Vector を UFM から On-Chip RAM もしくは 外部 RAM にコピーする処理は alt_load() 関数で実現するため、Boot Copier は不要となります。

Nios^® II SBT を起動し、Application と BSP を生成します。
BSP Editor を起動し、Linker Script 設定、alt_load() 関数のオプション設定を行います。

Linker Script は 図7 のように設定します。
.text Section は、UFM に設定し、それ以外の Section は On-Chip RAM か外部 RAM に設定します。

図7： XIP 構成における Linker Script 設定  

そして、Main タブにある Settings > Advanced > hal > linker の項目で alt_load() 関数のオプションを図8 のように設定します。
上記で記載した、2種類ある Nios^® II Processor の Vectors 設定によって設定項目が異なります。

図8： XIP 構成における alt_load() 関数 設定  

これで、XIP 構成を実現するための各種設定が終わりました。

次は、UFM に持たせる HEX ファイルと Programming Files の生成方法を参照ください。

「4. Programming File の生成方法」

 

3. UFM から Boot Copier で実行する際のNios® II 設定

Nios^® II Processor の Reset Vector / Exception Vector の設定や BSP Editor の設定を説明します。

Boot Copier を使用して、Nios^® II を Boot させる場合、Nios^® II Processor の Vectors 設定は 1種類です。

1. Reset Vector に UFM、Exception Vector に On-Chip RAM 又は 外部 RAM を設定

図9：Nios^® II Vectors 設定 (Boot Copier)

Nios^® II SBT を起動し Application と BSP を生成します。
BSP Editor を起動し Linker Script 設定、alt_load() 関数のオプション設定を行います。

Linker Script は 図10 のように設定します。
.text Section は On-Chip RAM か外部 RAM に設定し、それ以外の Section も On-Chip RAM か外部RAM に設定します。

図10 ：Boot Copier を使用する構成における Linker Script 設定

そして、Main タブにある Settings > Advanced > hal > linker の項目で alt_load() 関数のオプションを図11 のように設定します。

Boot Copier の構成は alt_load() を使用しないので、すべてのチェックボックスを外してください。

図11：Boot Copier を使用する構成における alt_load() 関数 設定

これで、Boot Copier を使用する構成を実現するための各種設定が終わりました。

次は、UFM に持たせる HEX ファイルと Programming Files の生成方法を参照ください。

「4. Programming File の生成方法」

 

4. Programming File の生成方法

Nios^® II SBT  にてソフトウェアのコンパイルが終了し ELF ファイルを生成したら、次は HEX ファイルを生成します。HEX ファイルを SOF ファイルと共に POF ファイルに変換することで、UFM に HEX ファイルを持たせることができます。

4-1. HEX ファイルの生成

ELF ファイルの生成が終了したら、図12 のように Nios^® II アプリケーションを右クリックし、
Make Targets > Build... > mem_init_generate > Build で HEX ファイルを生成します。

図12： mem_init_generate for HEX 

mem_init_generate で生成されるファイルは主に 3種類です。

• meminit.qip：「方法1：SOF ファイルに UFM の初期値として、HEX ファイルを持たせる方法」で使用
• on_chip_ram.hex：RAMの初期値ファイルとして使用
• <On_Chip_Flash_NAME>.hex：「方法2：POFファイルに、SOF ファイルと UFM に書き込む HEX ファイルを持たせる方法」で使用

4-2. POF ファイルの生成

HEX ファイルが生成できたら、Convert Programming Files で SOF ファイル と HEX ファイルを含んだ POF ファイルを生成します。

Quartus^® Prime > file tab > Convert Programming Files を起動してください。図13 のように、Programming file type を Programmer Object File (.pof) に設定、Mode を Internal Configuration に設定します。

図13： Convert Programming Files 

Option / Boot info ... の設定は、

• 「方法1：SOF ファイルに UFM の初期値として HEX ファイルを持たせる方法」(図14 を参照)
• 「方法2：POFファイルに SOF ファイルと UFM に書き込む HEX ファイルを持たせる方法」(図15を参照)

の設定 (Initialize flash content の ON/OFF ) によって異なります。

4-2-1. 方法1 の場合

図14：Convert Programming Files Boot info... （Initialize flash content：ON)

4-2-2. 方法2 の場合

図15： Convert Programming Files Boot info... （Initialize flash content：OFF)

Convert Programming Files で POF ファイルを生成し、実際に MAX^® 10 デバイスにプログラミングして動作をご確認ください。

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