4、HPS与FPGA启动依赖关系

在Agilex SoC的SDM配置流程中，HPS（Hard Processor System）与FPGA Fabric的启动顺序并非固定不变，而是由用户根据应用场景在配置映像中预先指定。理解两者之间的依赖关系，是正确选择启动模式、避免系统死锁或启动失败的前提。

4.1 启动依赖的本质：谁等待谁？

HPS与FPGA的启动依赖关系，本质上由以下三个关键因素决定：

  • SDM固件加载顺序：SDM（Secure Device Manager）作为启动主控，首先加载自身固件，然后根据配置映像中的启动顺序标志位决定下一步动作。
  • 时钟与复位依赖：HPS系统需要FPGA提供的某些时钟（如HPS-to-FPGA用户时钟）或复位信号时，必须等待FPGA完成配置并进入用户模式。
  • 早期外设访问需求：HPS的早期启动代码（如BootROM或SPL）可能需要通过FPGA内部的桥接（如HPS-to-FPGA Bridge）访问FPGA侧的外设（如DDR控制器、Ethernet MAC）。
关键概念：启动依赖关系是在生成配置映像（.pof或.jic）时，通过Quartus Prime软件中的“Configuration Device”或“SDM Boot Settings”选项静态指定的。运行时无法动态切换。

4.2 两种启动模式详解

Agilex SDM支持两种明确的启动顺序模式，下表从多个维度进行了对比：

对比维度 先FPGA后HPS (FPGA First) 先HPS后FPGA (HPS First)
启动流程 SDM先完成FPGA全片配置 → FPGA进入用户模式 → SDM释放HPS复位 → HPS开始执行BootROM SDM先释放HPS复位 → HPS开始执行BootROM → HPS运行过程中，SDM在后台或由HPS触发完成FPGA配置
FPGA配置时机 HPS启动前完成 HPS启动后完成（可并行或延迟）
HPS启动时机 等待FPGA进入用户模式 立即启动，无需等待FPGA
典型应用场景 HPS依赖FPGA提供时钟/复位；HPS早期代码需访问FPGA侧DDR；需要FPGA作为安全启动信任根 HPS独立运行Linux，FPGA作为加速外设；需要快速启动HPS，FPGA配置可延迟；FPGA映像较大，配置时间较长
启动时间 总启动时间 = FPGA配置时间 + HPS启动时间（串行） 总启动时间 ≈ max(FPGA配置时间, HPS启动时间)（可并行）
复杂度 较低，依赖关系明确 较高，需处理HPS与SDM的配置同步

4.3 模式一：先FPGA后HPS（FPGA First）

在此模式下，SDM将FPGA配置视为HPS启动的前提条件。整个流程是严格串行的。

  1. SDM初始化：SDM从配置存储器（如QSPI Flash、SD卡）加载自身固件。
  2. FPGA全片配置：SDM读取FPGA配置数据（.rbf），通过配置总线（如FPPx16、AVSTx8）加载到FPGA Fabric。此阶段HPS处于复位状态。
  3. FPGA进入用户模式：配置完成后，FPGA的CONF_DONE信号拉高，进入用户模式。FPGA内部的时钟、复位逻辑开始工作。
  4. SDM释放HPS复位：SDM检测到FPGA已进入用户模式后，释放HPS的复位信号（HPS_nRST）。
  5. HPS启动：HPS开始执行BootROM代码，此时FPGA已可用，HPS可以立即通过桥接访问FPGA侧资源。
设计考量：选择“先FPGA后HPS”模式时，必须确保FPGA配置映像中包含了HPS启动所需的所有时钟和复位逻辑。如果FPGA设计中的某个时钟域未正确初始化，HPS可能会在启动早期挂起。

4.4 模式二：先HPS后FPGA（HPS First）

此模式下，HPS的启动与FPGA的配置解耦，允许HPS先运行，FPGA配置在后台或由HPS主动触发完成。

  1. SDM初始化：SDM加载固件。
  2. SDM释放HPS复位：SDM立即释放HPS复位，无需等待FPGA配置。
  3. HPS启动：HPS开始执行BootROM，加载SPL或U-Boot。此时FPGA仍处于未配置状态。
  4. FPGA配置触发：FPGA配置可以由以下两种方式触发：
    • SDM自动后台配置：SDM在释放HPS复位后，自动开始配置FPGA，与HPS启动并行进行。
    • HPS主动触发配置：HPS运行到特定阶段（如Linux内核启动后），通过SDM固件接口（如Mailbox）发送命令，触发FPGA配置。
  5. FPGA进入用户模式：配置完成后，FPGA进入用户模式。HPS可以通过轮询或中断方式获知FPGA已就绪。
风险提示：在“先HPS后FPGA”模式下，如果HPS的早期启动代码（如SPL）尝试访问尚未配置的FPGA桥接或外设，会导致总线错误（Bus Fault）或系统挂起。必须在HPS软件中增加对FPGA状态的检测逻辑，或确保早期代码不依赖FPGA资源。

4.5 启动依赖关系流程图

下图以时序图的形式，直观展示了两种模式下HPS与FPGA的启动依赖关系：

HPS与FPGA启动依赖关系时序对比 模式一：先FPGA后HPS SDM初始化 FPGA全片配置（HPS复位） FPGA进入用户模式 SDM释放HPS复位 HPS启动（BootROM） 模式二：先HPS后FPGA SDM初始化 SDM释放HPS复位 HPS启动（BootROM） FPGA配置（后台/触发） FPGA进入用户模式 并行执行 说明： • 模式一（FPGA First）：HPS必须等待FPGA配置完成，适用于HPS依赖FPGA资源的场景。 • 模式二（HPS First）：HPS与FPGA配置可并行，适用于HPS独立启动、FPGA作为加速器的场景。

4.6 如何选择启动模式？

选择启动模式的核心依据是HPS早期启动代码对FPGA资源的依赖程度。以下决策树可以帮助您快速判断：

决策流程：
1. HPS的BootROM或SPL是否需要访问FPGA侧DDR？ → 是 → 选择“先FPGA后HPS”
2. HPS是否需要FPGA提供的专用时钟或复位信号才能启动？ → 是 → 选择“先FPGA后HPS”
3. 是否需要将FPGA作为安全启动链的一部分（如测量启动）？ → 是 → 选择“先FPGA后HPS”
4. 以上均为“否”，且希望HPS快速启动、FPGA配置可延迟？ → 选择“先HPS后FPGA”

4.7 配置映像中的设置方法

在Quartus Prime软件中，启动顺序通过以下步骤配置：

  1. 打开 Assignments → Device → Device and Pin Options。
  2. 选择 Configuration 选项卡。
  3. 在 Configuration Mode 中选择合适的配置方案（如 Active Serial x4）。
  4. 在 HPS/FPGA Boot Order 下拉菜单中选择：
    • FPGA First：先配置FPGA，再启动HPS。
    • HPS First：先启动HPS，FPGA配置由SDM后台处理或HPS触发。
  5. 重新生成配置映像（.pof或.jic）并烧录到配置存储器中。
重要提醒：修改启动顺序后，必须重新生成整个配置映像。仅修改设置而不重新生成映像，不会生效。此外，如果选择“HPS First”模式，建议在HPS软件中实现FPGA配置完成的中断处理或轮询机制，以确保在访问FPGA外设前确认其已就绪。
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