Cortex-A53 + GIC700 + Boot BRAM Vivado 全流程复现

本文档用于复现以下内容：

将 Cortex-A53 封装成 Vivado IP：cortexa53_axi
将 GIC700 封装成 Vivado IP：gic700_a53_min
搭建 A53 + GIC700 + AXI Boot BRAM + UARTLite + 外部 DDR AXI 端口的最小 BD
编译 BRAM boot stub，并初始化到 Boot BRAM
编译一个 DDR payload，用来模拟 Linux handoff 后的 DDR 取指路径
运行 xsim 行为仿真，确认：
- A53 能从 BRAM 启动
- A53 能通过 AXI 读写 BRAM
- BRAM boot 能跳转到 DDR 地址窗口中的 payload
- DDR payload 能读写 BRAM，且读回结果一致

注意：当前流程验证的是 Linux handoff 路径，不是完整 Linux kernel boot。要证明真实 Linux 完整起来，还需要真实 Linux Image、DTB、rootfs/initramfs，以及足够大的 DDR/MIG 仿真模型。

1. 环境要求

当前工作目录：

bash 复制代码

cd /data/vmshare/cortex_a53

需要的工具：

Vivado 2020.2，命令行可执行 vivado
AArch64 bare-metal 交叉编译器：aarch64-none-elf-gcc
Device tree compiler：dtc

本机已验证可用的工具路径：

text 复制代码

/home/ubuntu/Xilinx/Vitis/2020.2/gnu/aarch64/lin/aarch64-none/bin/aarch64-none-elf-gcc
/home/ubuntu/Xilinx/Vitis/2020.2/bin/dtc

如果 aarch64-none-elf-gcc 不在 PATH，脚本会优先使用上面的 Vitis 路径。若本机没有该工具链，可设置 Arm GNU Toolchain 下载链接：

bash 复制代码

export ARM_GNU_TOOLCHAIN_URL=<Arm GNU Toolchain Linux x86_64 AArch64 bare-metal tarball URL>
./vivado_system/scripts/setup_toolchain.sh

2. 可选清理

如果希望从较干净的输出目录重新开始，可以删除生成结果：

bash 复制代码

rm -rf vivado_ip/output vivado_ip/generated
rm -rf vivado_gic700_ip/output
rm -rf vivado_system/output

这不会删除原始 ARM RTL 发布目录。

3. 打包 Cortex-A53 Vivado IP

执行：

bash 复制代码

chmod +x vivado_ip/build_vivado_ip.sh
PART=xcvu19p-fsva3824-2-e ./vivado_ip/build_vivado_ip.sh

生成的 IP 仓库：

text 复制代码

vivado_ip/output/ip_repo

IP 名称：

text 复制代码

user.org:user:cortexa53_axi:1.0

A53 wrapper 关键默认配置：

BOOT_ADDR：启动地址，默认 0x0000000000
PERIPHBASE_ADDR：GIC/private peripheral base，系统脚本中设置为 0x2F000000
GICCDISABLE：默认 0，启用 A53 GIC CPU interface
非必要复位、调试、低功耗、DFT、MBIST 等端口在 wrapper 内部 tie-off
SYSBARDISABLE=1，避免简单 AXI/BRAM 仿真中 barrier 类事务导致死锁
ca53_generic_ram 已替换为 Vivado 友好的 RAM wrapper，用于 BRAM/URAM 推断

如果只想验证 IP 仓库是否能加载：

bash 复制代码

vivado -mode batch -source vivado_ip/scripts/validate_ip_repo.tcl -tclargs -part xcvu19p-fsva3824-2-e

4. 打包 GIC700 Vivado IP

执行：

bash 复制代码

chmod +x vivado_gic700_ip/build_gic700_ip.sh
PART=xcvu19p-fsva3824-2-e ./vivado_gic700_ip/build_gic700_ip.sh

生成的 IP 仓库：

text 复制代码

vivado_gic700_ip/output/ip_repo

IP 名称：

text 复制代码

user.org:user:gic700_a53_min:1.0

GIC700 wrapper 暴露的主要接口：

ACLK, ARESETN
S_AXI：GIC register AXI slave
M_GICD：连接 A53 S_GICD
S_GICC：连接 A53 M_GICC
TIMER_IRQ[3:0]：来自 A53 timer IRQ
SPI[31:0]：外部 SPI 中断，当前系统中 UARTLite interrupt 接到 SPI[0]
WAKE_REQUEST, FAULT_INT, ERR_INT, PMU_INT：状态输出

低功耗、DFT、MBIST、sample、ACE-Lite sideband 等非必要信号在 wrapper 内部 tie-off。

5. 构建 A53 + GIC700 + Boot BRAM 系统

执行：

bash 复制代码

chmod +x vivado_system/build_system.sh
./vivado_system/build_system.sh

该脚本会完成：

编译 vivado_system/boot/boot.S
生成 BRAM 初始化文件
编译 DTS 为 DTB
调用 Vivado 创建 BD 工程

主要输出：

text 复制代码

vivado_system/output/vivado_system/a53_gic_bram_system.xpr
vivado_system/output/boot/boot.elf
vivado_system/output/boot/boot.bin
vivado_system/output/boot/boot.coe
vivado_system/output/boot/boot.mem128
vivado_system/output/linux/a53_gic_bram_system.dtb

系统 BD 默认地址图：

text 复制代码

Boot BRAM: 0x00000000 / 0x00010000
GIC700:    0x2F000000 / 0x00070000
UARTLite:  0x40600000 / 0x00010000
DDR AXI:   0x80000000 / 0x80000000

系统顶层对外接口尽量少，只暴露：

sys_clk
sys_resetn
M_AXI_DDR
UART
GIC 状态输出：WAKE_REQUEST, FAULT_INT, ERR_INT, PMU_INT

6. 运行 BRAM Boot Smoke 仿真

执行：

bash 复制代码

chmod +x vivado_system/run_boot_smoke_sim.sh
./vivado_system/run_boot_smoke_sim.sh

该仿真验证：

A53 从 Boot BRAM 地址 0x00000000 取指
boot stub 写 BRAM offset 0x1000
boot stub 读回并比较数据
pass/fail 状态写到 BRAM offset 0x0f00

预期 PASS：

text 复制代码

BOOT_SMOKE_PASS: BRAM write/readback matched
status=4252414d5f4f4b31 value0=1122334455667788 value1=99aabbccddeeff00

日志：

text 复制代码

vivado_system/output/logs/boot_smoke_sim.log

7. 运行 Linux Handoff Smoke 仿真

执行：

bash 复制代码

chmod +x vivado_system/run_linux_handoff_smoke_sim.sh
./vivado_system/run_linux_handoff_smoke_sim.sh

该脚本会重新构建 boot stub，并设置：

text 复制代码

KERNEL_ENTRY=0x80080000
DTB_ADDR=0x80100000
DDR_BASE=0x80000000
DDR_SIZE_BYTES=0x00200000

然后编译：

text 复制代码

vivado_system/payload/linux_handoff_payload.S

并生成 DDR 仿真初始化文件：

text 复制代码

vivado_system/output/payload/ddr.mem32

仿真中：

A53 从 BRAM boot stub 启动。
boot stub 先完成 BRAM 写读一致性检查。
boot stub 设置 Linux handoff 寄存器：
- x0 = DTB_ADDR
- x1 = 0
- x2 = 0
- x3 = 0
boot stub 跳转到 KERNEL_ENTRY=0x80080000。
DDR AXI memory model 在 0x80080000 返回 payload 指令。
payload 验证 x0-x3，并通过 AXI 写读 BRAM。

预期 PASS：

text 复制代码

LINUX_HANDOFF_PASS: BRAM boot jumped to DDR payload and BRAM read/write matched
boot_status=4252414d5f4f4b31 linux_status=4c494e55585f4f4b value0=0badf00d12345678 value1=fedcba9876543210

日志：

text 复制代码

vivado_system/output/logs/linux_handoff_smoke_sim.log

8. 在 Vivado GUI 中加载 IP 仓库

打开任意 Vivado 工程后添加两个 IP repo：

tcl 复制代码

set_property ip_repo_paths [list \
  /data/vmshare/cortex_a53/vivado_ip/output/ip_repo \
  /data/vmshare/cortex_a53/vivado_gic700_ip/output/ip_repo \
] [current_project]
update_ip_catalog

应能在 IP Catalog 中看到：

text 复制代码

cortexa53_axi
gic700_a53_min

也可以直接打开系统工程：

bash 复制代码

vivado vivado_system/output/vivado_system/a53_gic_bram_system.xpr

BD 文件路径：

text 复制代码

vivado_system/output/vivado_system/a53_gic_bram_system.srcs/sources_1/bd/a53_gic_bram_system/a53_gic_bram_system.bd

9. 接入 DDR MIG 的硬件连接方式

系统 BD 已将 SmartConnect 的 M03_AXI 做成外部接口，并命名为：

text 复制代码

M_AXI_DDR

在硬件工程中，把 M_AXI_DDR 连接到 DDR MIG 的 AXI slave 侧。默认地址窗口：

text 复制代码

0x80000000 .. 0xffffffff

Boot BRAM 初始化文件可使用：

text 复制代码

vivado_system/output/boot/boot.mem128
vivado_system/output/boot/boot.coe

如果希望硬件上让 BRAM boot 直接跳到 DDR 中的 Linux Image，重新构建 boot stub：

bash 复制代码

KERNEL_ENTRY=0x80080000 DTB_ADDR=0x88000000 ./vivado_system/build_system.sh

含义：

KERNEL_ENTRY：Linux Image 在 DDR 中的入口地址
DTB_ADDR：DTB 在 DDR 中的地址

启动前需要保证 DDR 中已经放好：

text 复制代码

Linux Image -> KERNEL_ENTRY
DTB         -> DTB_ADDR
rootfs      -> 按 bootargs 或 initramfs 方案放置

10. 当前 Linux Bring-Up 边界

当前已经验证：

A53 IP 可被 Vivado 加载
GIC700 IP 可被 Vivado 加载
两个 IP 能在 BD 中互连
Boot BRAM 能放置 boot stub
A53 能从 BRAM 启动
A53 能通过 AXI/SmartConnect 访问 BRAM
BRAM boot 能跳到 DDR 地址窗口
Linux handoff register contract 已在仿真中检查

当前尚未验证：

真实 Linux Image 完整启动
Linux 初始化真实 GIC700 后的中断行为
真实 MIG DDR 时序/校准
UART 控制台打印真实 Linux log
rootfs/initramfs 挂载

要做完整 Linux boot，建议下一步加入：

真实 Linux Image
与地址图匹配的 DTB
initramfs 或可访问的 rootfs
更大的 AXI DDR/MIG simulation model
boot stub 中必要的 EL、cache/MMU、CNTFRQ_EL0 设置，或直接替换为 TF-A/U-Boot

11. 快速检查命令

检查两个 smoke 仿真是否通过：

bash 复制代码

grep -E "BOOT_SMOKE_PASS|LINUX_HANDOFF_PASS" \
  vivado_system/output/logs/boot_smoke_sim.log \
  vivado_system/output/logs/linux_handoff_smoke_sim.log

预期看到：

text 复制代码

BOOT_SMOKE_PASS: BRAM write/readback matched
LINUX_HANDOFF_PASS: BRAM boot jumped to DDR payload and BRAM read/write matched

检查关键输出文件是否存在：

bash 复制代码

ls -lh \
  vivado_ip/output/ip_repo \
  vivado_gic700_ip/output/ip_repo \
  vivado_system/output/vivado_system/a53_gic_bram_system.xpr \
  vivado_system/output/boot/boot.mem128 \
  vivado_system/output/linux/a53_gic_bram_system.dtb \
  vivado_system/output/payload/ddr.mem32

12. 常见参数修改

修改启动地址：

bash 复制代码

BOOT_ADDR=0x0000000000 ./vivado_ip/build_vivado_ip.sh

在系统 BD 中，create_a53_gic_bram_system.tcl 默认把 BOOT_ADDR 设置成 -boot_base，当前为：

text 复制代码

0x00000000

修改 Linux handoff 地址：

bash 复制代码

KERNEL_ENTRY=0x80080000 DTB_ADDR=0x88000000 ./vivado_system/build_system.sh

修改器件型号：

bash 复制代码

PART=xcvu19p-fsva3824-2-e ./vivado_ip/build_vivado_ip.sh
PART=xcvu19p-fsva3824-2-e ./vivado_gic700_ip/build_gic700_ip.sh
PART=xcvu19p-fsva3824-2-e ./vivado_system/build_system.sh

当前默认器件就是：

text 复制代码

xcvu19p-fsva3824-2-e