基于易灵思eMMC IP的Linux系统加载方案

eMMC全称为 embedded Multi Media Card，主要用于非易失性存储，它弥补了 FPGA 芯片自身存储能力的不足，为 FPGA 提供一个高集成度、大容量、低成本、且易于使用的“硬盘”或“固态硬盘”解决方案。

Part 01

eMMC简介

eMMC 在 FPGA 系统中的作用可以概括为：

系统启动：可存储OS镜像

大容量数据存储：记录采集数据、视频、日志

运行操作系统和应用程序

eMMC并非一个单纯的存储芯片，内部主要可以分为 Flash Memory、Flash Controller 以及Interface 三大部分：

Flash Memory：负责数据存储。

Flash Controller：负责管理NAND Flash的读写、擦除、坏块管理、磨损均衡、错误校正等复杂操作。

Interface：提供了一个标准化的主机接口，让主处理器可以像访问一个标准设备一样轻松访问存储。

Part 02   易灵思eMMC IP

易灵思为用户提供了eMMC Host Controller IP (基于eMMC5.1协议)和配套的Linux驱动。为了方便用户在系统中使用eMMC，易灵思还提供了eMMC Demo工程（基于TJ375N529 / TJ375N1156X开发板），实现了将Linux系统写入eMMC并从eMMC中加载Linux系统的功能。

eMMC5.1协议中定义的速率模式如下表所示，易灵思eMMC Host Controller IP V1.0最高实现HS400模式。

Part 03   eMMC Demo

3.1  写入Linux系统

在将Linux系统写入eMMC之前，需要进行以下操作：① 用以太网口从服务器下载Linux系统文件。② 使用工具对eMMC进行分区。为了方便上述操作，RISC-V需要先从SD卡启动系统。

将Linux系统写入eMMC的具体流程如下图所示：

通过Balena Etcher工具将sdcard.img（包括Linux kernel、device tree、file system）烧写进SD卡。

用Efinity Programmer擦除SPI flash，并将emmc_linux.hex（包含FPGA bitstream、OpenSBI、U-Boot）文件烧写进flash，其中FPGA bitstream包含bootloader（FSBL）文件。

重新上电加载程序后，运行bootloader读取flash里面的OpenSBI和U-Boot文件，输入run sd_bootcmd命令引导U-Boot读取SD卡内的Linux kernel和device tree并将其写入到DDR内存里，然后RISC-V会依次加载Linux kernel和device tree，加载成功后，再读取SD卡内的file system并挂载在Linux系统内。

通过开发板上的以太网口连接至服务器，下载服务器里的uImage(Linux kernel image)、linux.dtb(device tree blob)、rootfs.tar(tarball of the root filesystem)文件并写入到SD卡里。

通过emmc_programmer脚本把uImage、linux.dtb、rootfs.tar从SD卡读出并写入eMMC里。

3.2  加载Linux系统

从eMMC中加载Linux系统的流程如下图所示：

开发板上电加载程序后，运行bootloader读取flash里面的OpenSBI和U-Boot文件。

引导U-Boot读取eMMC卡内的Linux kernel和device tree。

将读出的Linux kernel和device tree写入到DDR内存里。

RISC-V依次加载DDR内存里的Linux kernel和device tree，加载成功后，再读取eMMC卡内的file system并挂载在Linux系统内。

如下图所示，Linux系统加载完成后，进入系统内，执行lsblk命令，显示根系统是挂载在eMMC第二分区上。

在FPGA上成功加载Linux系统后，将获得一个功能完整的嵌入式开发环境，能够运行多种应用程序并利用丰富的工具链进行开发，支持从基础开发到高性能计算的广泛需求。

Part 04   总结

易灵思提供了基于eMMC的Linux系统加载方案，完善了易灵思RISC-V生态系统，更加便于用户在RISC-V上使用Linux系统。同时eMMC作为Linux系统加载介质，兼具‌高可靠性、易用性及性能优势‌，其集成化设计简化了存储管理，通过标准化接口与RISC-V架构协同，支撑了Linux系统的稳定运行‌ ‌。

易灵思公司介绍      

易灵思是一家国产FPGA公司，总部位于深圳前海。公司凭借自主可控的Quantum硬件架构，采用逻辑和路由可以互换的XLR结构，实现了创新的产品设计与软件算法，使得FPGA产品具备低功耗、小体积、高密度、高性能等优势。已量产的40nm Trion系列及16nm钛金系列 FPGA产品，广泛应用于机器视觉、显示、工业控制、医疗、汽车、AI和通信等终端领域。

重要产品      

钛金系列FPGA具有增强的Quantum架构，16nm工艺，35K 至 1,000K 逻辑单元，超高性能 300-500MHz，封装最小可至3.5mm*3.4mm@60K LE，功耗低至竞争对手的1/4，硬核资源丰富，最新产品TJ375现已量产。