ZYNQ-BOOT介绍与程序固化

ZYNQ-BOOT介绍与程序固化

学习内容

本文把程序存储在非易失性存储器中， 在上电或者复位时让程序自动运行，这个过程需要启动引导程序（ Boot Loader） 的参与。 Boot Loader 会加载 FPGA 配置文件， 以及运行在 ARM 中的软件应用。

开发环境

vivado 18.3&SDK PYNQ-Z2开发板

Boot和配置简介

在 ZYNQ的启动和配置时， 既需要 PS 的配置信息，又需要 PL 的配置信息。ZYNQ无法纯FPGA像xilinx那样只进行FPGA端口的配置。在 ZYNQ 中， 我们可以理解为PS作为主器件， PL 端口可以看作是 PS 的一个外设，因此需要由 PS 来配置 PL。这个配置顺序的优势是它允许对 PS 单独上电的时候， 此时 PL 不上电，以减小功耗。 在配置文件内FPGA BIT 文件用来定义 PL 的配置信息和操作；而 ELF 文件用于配置运行在 PS 中的程序。

启动流程图

在进行配置时的主要流程，如下图所示。

上图中的Mode_Pins是boot模式的设置引脚，是几个MIO引脚，通过给这几个引脚配置不同的高低电平，进而选择不同的启动模式。完成启动后，这几个IO可以作为ARM的GPIO进行使用。

STAGE0阶段是BootROM执行阶段，就是将一些的外设和寄存器进行初始化，从FSBL中读取代码，读取到OCM中进行运行，比如我们从Flash读取后续代码那就需要将flash进行初始化。

STAGE1中，FSBL（用户也可修改，由SDK自动生成模板）执行阶段，FSBL、用户代码执行，就是对更多外设的初始化，比如DDR等。初始化完毕后会从启动镜像中读取bit流来配置PL，加载裸机应用程序到DDR中去运行。

STAGE2为裸机运行阶段。然后运行用户编写好的程序。

BootROM and Header Parameters

ZYNQ SoC 的启动由片上的 BootROM 开始。片上 BootROM 是 ZYNQ 芯片上的一块非易失性存储器，它包含了 ZYNQ 所支持的配置器件的驱动， 而且里面的代码是不可修改的。 BootROM 中的代码首先会在片外的非易失性存储器中寻找一个头文件， 头文件里定义了一些启动信息， 用于配置 BootROM 的运行。 这些启动信息包括是程序是否就地执行（ excute in place） ， FSBL 的偏移地址以及是否为安全模式等。头文件的存在确保 BootROM 能够按照配置器件被格式化后的方式操作。

FSBL阶段

BootROM 执行之后，下一个配置阶段被称为 First-Stage Boot Loader（ FSBL）， 它是由设计者所创建的。FSBL 可以配置 DDR 存储器和硬件设计过程中所定义的一些外设。这些器件需要在加载软件应用及配置 PL之前就初始化完毕。 FSBL 的工作内容： 1、 初始化 PS； 2、 如果提供了 BIT 文件，则配置 PL； 3、 加载裸机应用程序到 DDR 中，或者加载 Second-Stage Boot Loader（ SSBL）； 4、 开始执行裸机应用程序，或者 SSBL。PL 的配置是通过处理器配置访问接口（ Processor Configuration Access Port， PCAP） 进行的，它允许对PL 进行部分配置或者完全配置。有关 PL 的部分配置我们会在其他章节予以介绍。 一旦 PS 启动运行之后，PL 可以在任意时刻被配置， FSBL 和应用程序可以清除、 配置以及使能 PL。

BOOT模式引脚

ZYNQ SoC 使用多个模式引脚来决定配置器件的类型， 软件的存储位置以及其他的系统设置， 这些引脚共享 PS 端的 MIO 引脚。 总共有 7 个模式引脚， 分别为 MIO[8:2]。

其中，前四个引脚定义启动模式，第五个引脚定义是否使用 PLL， 第六个和第七个引脚定义上电过程中 MIO bank0 和 bank1 的 bank 电压。

构建一个 ZYNQ 的启动镜像我们需要以下的文件：

Boot ROM 头文件：控制 Boot ROM 设置，比如就地执行、 加密、 FSBL 偏移量、镜像文件大小等；First-Stage Boot Loader；PL 配置文件， 即 BIT 文件；运行在 PS 上的软件应用程序ELF;

PS软件复位阶段

PS软件复位阶段有三个，stage0：BootRom，stage1：FSBL，stage2：运行系统或者裸机代码。

PL硬件复位阶段

PL硬件复位阶段，首先通过PS的端口进行启动模式的设置，设置完成后进行PLL的配置初始化。

安全启动模式流程图

在安全模式下，启动镜像总是由CPU写入OCM内存。 从那里，它被送 (使用DMA)进、送出AES（Advanced Encryption Standard）/HMAC（密钥相关的哈希运算消息认证码）单元进行解密和身份验证。 解密的引导映像被写入OCM内存，并在引导完成后执行。 也就是每个ZYNQ都有一条解密算法专门这对自己的FLASH进行解密，flash中的代码就只能被本zynq使用。

硬件平台搭建

我们随便打开一个工程，因为我们这里要通过使用SD卡和JTAG模式进行下载，所以我们在硬件平台的构建下要进行，勾选SD和 SPI FLASH

SDK软件部分

本次使用的是AXI_GPIO的IP的工程进行固化，在打开SDK后，我们需要构建我们的镜像文件用于SD卡启动。选中工程右击选中设置板载支持文件模式。

然后新建应用程序

镜像工程包含fsbl的elf文件，bit流文件，用户编写的应用程序elf文件，如果要自行添加，注意三个文件的顺序。

完成后，等待运行，运行结束后即可完成镜像构建。

SD卡运行

把BOOT.bin文件复制到SD卡中，板子的模式配置条线选择SD卡模式，上电运行即可实现我们编写好的程序。

FLASH运行

选择编程配置flash，

Reference

正点原子ZYNQ嵌入式开发指南.XILINX文档UG585.ZYNQ-7000-TRM

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