英特尔Cyclone V SOC FPGA器件烧写EMMC方案（一、 方案分析）

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烧写AC506-SOC核心板/AC540-SOC开发板系统到板载EMMC存储器目前总共总结出了3种切实可行的方法，这三种方法各有利弊，分别适用于不同的应用场景。本应用笔记将针对这三种方法，分别进行详细的实现步骤介绍，力争让读者跟着本应用笔记按步骤操作，就能成功的实现EMMC的烧写。

概述

要给Intel Cyclone V SoCFPGA核心板上的EMMC烧写系统，面临的核心问题如下所述。

• 该芯片只有一个SDIO接口，接EMMC 的时候不能接SD卡，接SD卡的时候不能接EMMC，或者，换一种说法，SD卡和EMMC不能同时工作。所以想通过SD卡启动Linux系统之后，再在Linux系统下烧写EMMC存储器是行不通的，这一点，与Xilinx的Zynq、以及各种常见的ARM 芯片不一样。Xilinx的Zynq以及各种常见的ARM芯片例如IMX6ULL都有两个SDIO接口，可以一个接EMMC存储器，一个接SDIO控制器，实现从SD卡启动烧写EMMC的功能。
• 该芯片仅支持从SDIO、QSPI、NAND Flash、FPGA启动，不支持从USB启动。无法像IMX6一样直接用USB烧写系统。所以想通过电脑上弄个小软件来用USB烧写也是有难度的。
  
  
  

不管上面所讲述的难点在哪里，难度如何，烧写EMMC存储器的思路有且仅有2个：

• 让SOC FPGA进入UBOOT，在UBOOT下使用UBOOT提供的EMMC烧写命令来烧写EMMC。
• 让SOC FPGA进入Linux系统，在Linux系统中使用可用的命令来烧写EMMC，例如dd命令。
  
  
  

不管是在UBOOT下烧写还是在Linux系统下烧写，都有一个大前提，就是要先进入UBOOT，毕竟Linux的启动也是需要UBOOT引导，因此，解决UBOOT的加载是第一步工作。

要进入UBOOT，其实方法非常多，比如，使用SD卡启动，或者将UBOOT烧写在QSPI FLASH中，然后从QSPI启动，更有甚者，可以使用USB Blaster直接将UBOOT烧写进SOC的RAM中。

所以UBOOT的启动不是问题，问题是硬件的冲突，QSPI的倒还好说，独立硬件信号接口，也不存在多个器件共享兼容的问题。难点在于使用SD卡启动会存在的与EMMC冲突的情况。

使用SD卡启动方案分析

然而该问题虽然难，但也不是不能解决。SD卡和EMMC虽然不能同时工作，但是可以通过巧妙设计，让他们分时工作。比如先从SD卡启动UBOOT，然后在UBOOT下拔出SD卡，把EMMC挂上。所以可以先使用SD卡启动，加载preloader和UBOOT，然后再在UBOOT下把SD卡拔掉，让EMMC挂载，在UBOOT下对EMMC实行烧写操作。这样，使用SD卡启动UBOOT就不耽误EMMC的烧写过程了。

实现该方法的关键点就在于实现SD卡和EMMC的分时工作，事实上这也不难。我们只需要在SDIO接口上同时接上SD卡槽和EMMC存储器，并设计好互斥电路，让SD卡插入时候，EMMC能立即停止工作（比如断电），而当SD卡拔出时候，EMMC能够开始正常工作。由于SDIO接口设计之初就对热插拔提供了良好的支持，所以这种在线插拔切换并不会有任何的风险与问题。

对于切换电路，我们参考英贝特的LarkBoard开发板图纸设计并进行了验证，确定可以使用下述电路来实现该功能。该电路通过SD卡的卡检测信号（SD_CD）作为给EMMC 存储器供电的使能开关。可以实现SD卡插入时自动切断EMMC供电，拔出SD卡后立即恢复对EMMC供电的功能，

SD卡可以在PC上使用专门的烧录工具烧录，非常方便。而且SD卡槽成本很低，不到2块钱，所以该方案性价比很高。

使用QSPI启动方案分析

使用QSPI启动方案需要使用一片QSPIFlash来作为UBOOT存储固件，QSPI可以使用Quartus实现UBOOT镜像的烧写。而且QSPI的成本也不是很高，128Mbit的QSPI FLASH大概12元左右。一次烧好，以后每次都可以用，但是缺点是每次从QSPI切换回EMMC启动需要修改启动设置管脚（如果是设计了有排针或者拨码开关来进行切换倒也不复杂，但是如果是用板载电阻就比较麻烦了）。所以QSPI启动的方案只能放在SD卡启动方案之后考虑。

UBOOT下待烧录固件的存储难题

解决了UBOOT启动的问题，只是解决了在UBOOT下烧写EMMC的第一道难题，第二道难题随之而来，那就是，用来烧写EMMC的文件存放在哪里，又如何将其烧写到EMMC中去呢？一个Linux系统镜像，小则几十兆，多则几个G，这些文件在烧写的时候，必然存在了从一种存储介质中读出，然后烧写入EMMC的过程，所以，烧写时候，从哪里获取镜像文件呢？目前个人总结的比较常用的方案有3种。

• 从SD卡中获取。我们制作的启动SD卡，其FAT分区中是可以存放各种文件的，我们可以将需要用来烧录的镜像文件存储在SD卡的FAT分区中，在UBOOT启动后，先将该固件镜像读取到内存中，然后再卸载SD卡，挂载上EMMC存储器，再将内存中读好的固件镜像烧写进EMMC。此烧写方案最大的瓶颈在于，要将固件先读取到内存，然后卸载SD卡，所以固件镜像的大小不能大于板上DDR3的存储空间大小（还得减去UBOOT运行所占用的16MB存储空间）。当然，也不是一定不可以烧写比板载内存大的镜像，比如我们可以将镜像文件切割成多个小于板载内存空间的小块之后，分多次烧写，只不过这样的话，每烧写一个文件都要插拔一次SD卡，还是蛮麻烦的。但是理论上实现并没有问题。此种方案所需要的外部硬件电路条件最少。
• 从USB存储设备中获取，例如从U盘中读取。UBOOT下是支持从U盘中读取文件的，所以理论上可以在UBOOT下从U 盘中读取所需烧录的镜像文件，然后写入EMMC中。不过该方案和前面的SD卡存储方案一样，同样存在着文件大小的限制，要烧录大文件也只能使用切割成小块多次烧写的方式，不过好的是，不用每次换文件都重新插拔SD卡了，要方便不少。而且可以使用脚本的方式，自动执行，减少人为干预的过程。
  
  
  我也就此方案进行了测试，发现了几个问题，一是这种方案要求电路板必须支持USB Host接口，能够连接U盘。二是目前使用的UBOOT中，对于USB的支持仅限于usb1.1 对应的ohci规范，读写速度很慢，只有1.3MB/S，这个速度，用来烧写较大的系统镜像，耗费的时间就实在是太久了。而且在实际实验时发现，如果每次拷贝的文件大小超过40M，就无响应了，暂不知道问题出在电路上还是程序上，如果是这样的话，那得将文件切割到40M以内，这样的话就更麻烦了。所以此方案虽然理论可行，但是实际操作起来实用价值不大。
• 通过网络，使用TFTP协议从远端TFTP服务器下载。这种方法，如果使用百兆网络连接的话，速度可能比U盘下的1.3MB/S还要慢不少，使用千兆以太网速度，应该会快一些。
  
  
  通过对此方案进行实验，发现传输速度大概在3MB/S左右。另外，该方案需要有远程TFTP服务器的支持，比如Ubuntu虚拟机，或者在Windows系统上运行TFTP工具。电路板也必须要支持千兆网口。而且，此方案同样受限开发板上内存容量，对于较大的镜像文件，需要分多次传输。不过好的是不需要像SD卡那样频繁插拔，相对来说要方便那么一点点，而且可以使用脚本的方式，自动执行，减少人为干预的过程。
  
  

Linux系统烧写方案的系统加载难题

上述三种方案，都是在UBOOT下进行的，由于使用的UBOOT版本问题，以及电路板上DDR3存储器容量的问题，烧写较大的系统镜像都比较麻烦。所以我又尝试了基于Linux系统的MMC烧写方案。

既然是基于Linux系统的烧写方案，那么必然要先让SOC FPGA能够运行起Linux系统。而如果从SD卡中加载Linux的文件系统的话，那么在系统开始加载之后，SD卡就不能拆卸了，这样就无法挂上EMMC，也就无法进行烧写了。所以，要想能够在Linux系统下烧写EMMC，需要解决的核心问题就是如何在没有SD卡的情况下让SOC FPGA运行上Linux系统。这个需求有以下几种方案能够实现：

• 使用QSPI FLASH存储Linux的文件系统，这样就不关SDIO啥事了，就可以在Linux系统跑起来后，在Linux系统下烧写EMMC。但是此种方案存在的问题是，Linux系统虽然可裁剪性很强，但是怎么的也得几十上百兆，而QSPI FLASH的存储容量一般都不会太大，要能够存储上百兆字节的文件系统，且不说这样的QSPI FLASH好不好买，就是能买到，其性价比必然也是极低的。所以这套方案从可行性上来说存在很大的挑战。
• 使用NAND FLASH存储Linux的文件系统，这样呢，也确实同样不关SDIO啥事，理论上实现没有任何问题，但是这样就需要电路板上有NAND FLASH存储器，而一般使用EMMC存储器的电路板，不会再设计NAND FLASH存储器。所以这种方案并不适合用户自己使用过程中烧写EMMC。但是这个方案非常适合批量烧录场景，针对AC506-SOC核心板，可以设计一个底板，底板上带有NAND FLASH存储器，里面安装Linux系统，批量烧录时，只需要将核心板插上去，运行烧录脚本就能进行烧录。关于文件存储的问题，也可以将代烧录的文件存储在U盘中，在Linux系统下读取U盘并烧写EMMC，Linux系统下读取U盘烧写EMMC，达到5MB/S每秒还是很容易的。
• 使用网络文件系统（NFS），这种方案，只需要电路板上有网络接口就可以，通过网络，挂载网络上的文件系统。由于文件系统都存储在网络远端服务器上，所以不需要电路板本身拥有多大的FLASH存储容量，而且，待烧写的系统镜像也可以存储在网络服务器上，这样就不用再考虑镜像文件存储在哪里的问题。此种方案，只需要有一个能联网的远端服务器即可，这个服务器既可以是电脑的虚拟机，也可以是另一个嵌入式电路板，如树莓派，香橙派，或者其他的各种常见的ARM开发板。
  
  
  

    综合考虑，可行性最好，兼容性最强的方案就是Linux系统下烧写的方案2和方案3.其中方案2需要专用的硬件底板，所以不适合终端用户使用，但适合批量烧写场景。方案3只需要有网口就能完成烧写，适合终端用户。

介绍了各种烧写方法存在的利弊、挑战和解决方案，接下来就一一介绍各种烧写方法的具体实现步骤。受篇幅所限，该内容在接下来的文章发出。

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