📚 课程目录第4章 HPS启动流程与Preloader

4. HPS启动流程与Preloader

在SoC FPGA（如Intel Cyclone V、Arria 10）中，HPS（Hard Processor System）的启动并不是“上电即运行Linux”这么简单，而是一条由硬件固化代码、用户可编程引导程序、操作系统加载器逐级接力的链式过程。理解这条链路，是使用SoC EDS生成Preloader、配置引脚复用与SDRAM参数、最终通过SD卡启动系统的前提。本节将沿着“Boot ROM → Preloader → U-Boot → Kernel”的顺序，把每一级的职责、交接方式和关键配置点讲清楚。

一、四级启动链的职责划分

HPS上电或复位后，CPU首先从芯片内部一块只读存储器执行代码，这就是Boot ROM。Boot ROM是芯片出厂固化的，用户无法修改，它的任务是：根据BOOTSEL引脚或熔丝设置确定启动介质（SD卡、QSPI Flash、NAND等），从该介质的固定偏移处读取一个很小的引导头，校验并加载下一级程序到片上RAM（OCRAM）中执行。由于Boot ROM能加载的镜像尺寸非常有限（通常几十KB量级），它无法直接加载Linux内核，因此必须有一个“承上启下”的中间层，这就是Preloader。

Preloader（在U-Boot体系中对应SPL，Second Program Loader）运行在OCRAM中，是用户可完全控制的第一段代码。它承担了大量“把硬件真正初始化起来”的工作：配置时钟树（PLL）、初始化引脚复用（Pin Muxing）、初始化SDRAM控制器并完成内存训练、配置外设引脚、最后从启动介质中把完整的U-Boot镜像加载到SDRAM并跳转执行。可以说，Preloader是HPS启动过程中最“硬件相关”的一环，也是SoC EDS工具链重点辅助生成的对象。

U-Boot运行在SDRAM中，此时内存已经可用，空间不再受限。U-Boot负责更完整的设备初始化（网口、USB、MMC等）、提供命令行交互环境、加载设备树（Device Tree）和Linux内核镜像（zImage或Image），并把控制权交给内核。Kernel启动后完成驱动加载、挂载根文件系统，最终进入用户空间。整条链路可以用下面的信号与数据流图表示。

二、用SoC EDS生成Preloader

SoC EDS（SoC Embedded Design Suite）中的bsp-editor是生成Preloader的核心工具。它的工作方式是：读取一个板级描述文件（通常是Quartus工程导出的.sopcinfo或手写的.xml），结合用户选择的配置，生成一个Preloader源码工程，再调用交叉编译器编译出preloader-mkpimage.bin。整个过程可以概括为“选板级描述 → 配参数 → 生成源码 → 编译 → 得到镜像”。

实际操作中，典型命令流程如下（以Linux主机为例）：

# 1. 启动 bsp-editor（图形界面）
bsp-editor

# 2. 在界面中：File → New BSP
#    选择 .sopcinfo 文件（来自 Quartus 工程）
#    选择操作系统类型：Linux
#    选择 Preloader 设置

# 3. 配置完成后点击 Generate，生成目录：
#    ~/preloader_bsp/
#      ├── settings.bsp
#      ├── Makefile
#      └── software/preloader/   ← Preloader 源码

# 4. 进入目录编译
cd ~/preloader_bsp
make

# 5. 生成镜像
#    software/preloader/preloader-mkpimage.bin

生成的Preloader源码中，最值得关注的是board/<board_name>/下的板级文件，尤其是iocsr_config_cyclone5.c（引脚复用配置）和pll_config.h（时钟配置）。这些文件的内容直接来自bsp-editor中的设置，如果后续硬件改动（比如换了SDRAM型号或改了引脚分配），需要重新生成或手动修改这些文件。

三、引脚复用与SDRAM参数配置

引脚复用（Pin Muxing）是HPS启动中最容易出错的一环。HPS的许多引脚是复用的：同一个物理引脚可能既可作为GPIO，也可作为UART、I2C、SPI或SDRAM数据线。Preloader必须在访问这些外设之前，把引脚配置到正确的功能上。在bsp-editor中，这一配置通过“Pin Muxing”选项卡完成，用户为每个引脚选择功能。生成的iocsr_config_cyclone5.c中会以寄存器写入的形式体现，例如：

/* 示例：将 HPS_GPIO48 配置为 UART0_RX */
writel(0x00000002, &iocsr->io48);
/* 示例：将 HPS_GPIO49 配置为 UART0_TX */
writel(0x00000002, &iocsr->io49);

如果引脚复用配置错误，最典型的症状是串口无输出——因为UART引脚没有正确复用，Preloader的调试信息根本发不出来。因此，第一次调试时务必先确认UART引脚配置正确，这是观察后续所有启动阶段的“眼睛”。

SDRAM参数配置同样在bsp-editor中完成，主要包括：SDRAM容量、数据位宽、行/列地址位宽、Bank数量、时序参数（tRCD、tRP、tRAS、CL等）、刷新周期。这些参数必须与板上实际焊接的SDRAM颗粒一致。如果参数错误，Preloader在SDRAM初始化阶段就会失败，表现为U-Boot无法加载或系统反复复位。Cyclone V SoC通常使用DDR3，典型参数如：容量1GB、位宽32bit、CL=6、tRCD=6、tRP=6，这些值需要根据SDRAM数据手册填写。

bsp-editor中有一个“SDRAM”选项卡，可以逐项填写时序参数。如果不确定，可以先使用开发板厂商提供的默认值，再根据实际运行稳定性微调。Preloader启动时会打印SDRAM训练结果，如果训练失败会明确报错。

四、通过SD卡启动的完整操作

SD卡启动是SoC FPGA最常用的调试方式，因为烧写方便、可反复修改。SD卡上的分区布局有固定要求：分区3（A2分区）用于存放Preloader镜像，分区1（A1分区）用于存放U-Boot、设备树和内核。具体操作步骤如下：

分区：用fdisk或parted把SD卡分为两个分区。分区1从偏移1MB开始，格式化为FAT32；分区3从偏移3MB开始，类型为0xA2（裸分区），不格式化。
写入Preloader：使用dd把preloader-mkpimage.bin写入分区3的起始位置：
```
sudo dd if=preloader-mkpimage.bin of=/dev/sdX3 bs=64k seek=0
sync
```
写入U-Boot与内核：把u-boot.img、socfpga.dtb、zImage复制到分区1（FAT32分区）根目录。
设置BOOTSEL：把开发板上的BOOTSEL拨码开关设置为SD卡启动模式（通常为01010或参考板卡手册）。
上电观察：连接串口（如115200-8N1），上电后应依次看到Preloader、U-Boot、Kernel的打印信息。

判断启动是否成功，最直接的依据是串口输出。一个正常的启动日志会依次出现：Preloader的SDRAM训练信息、U-Boot版本号与命令行提示符、内核解压与启动信息，最后出现登录提示。如果卡在某一级，就针对该级排查：卡在Preloader通常是SDRAM参数或引脚复用问题；卡在U-Boot通常是镜像文件缺失或分区格式问题；卡在内核通常是设备树与硬件不匹配。

写入Preloader时务必确认/dev/sdX3是SD卡的分区3，而不是主机硬盘。建议先用lsblk确认设备名，避免误写导致主机系统损坏。

五、启动链的验证与常见问题定位

为了快速定位启动失败发生在哪一级，可以建立一个简单的判断路径：上电后串口完全无输出 → 检查BOOTSEL、UART引脚复用、Preloader是否写入分区3；有Preloader输出但无U-Boot输出 → 检查SDRAM参数、U-Boot镜像是否在分区1；有U-Boot但无内核输出 → 检查设备树、内核镜像路径和U-Boot环境变量bootargs。这条判断路径把四级启动链变成了可逐级隔离的调试对象，是实际工程中最常用的排障方法。