【正点原子FPGA连载】第七章程序固化实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

正点原子

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第七章程序固化实验

在前面的几个实验中，我们都是通过JTAG接口将FPGA配置文件和应用程序下载到ZYNQ器件中。接下来我们将尝试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。
本章包括以下几个部分：
11.1简介
1.2实验任务
1.3硬件设计
1.4软件设计
1.5下载验证


简介
在ZYNQ SoC的启动和配置过程中，既需要PS的配置信息，又需要PL的配置信息。为了简化配置PS和PL的处理过程，ZYNQ的配置顺序与Xilinx FPGA的配置顺序有所不同。差异来源于以下两种类型的文件：
1、FPGA BIT文件——定义PL的行为
2、软件ELF文件——运行在PS中的程序
在ZYNQ中，PS作为主器件，PL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。不过也有例外，就是我们在使用JTAG下载程序的时候，此时是使用电脑作为主机来配置PL。
软件代码和配置FPGA的BIT文件可以存储在连接到PS端的配置存储器件中。PS支持多种片外非易失性存储器（Quad SPI Flash，NAND Flash，NOR Flash或SD卡）。领航者ZYNQ开发板从硬件上支持SD卡和QSPI作为配置器件。
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。
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。
总结一下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。
要重建一个ZYNQ的启动镜像我们需要执行以下文件：
1、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；
2、First-Stage Boot Loader；
3、PL配置文件，即BIT文件；
4、运行在PS上的软件应用程序。
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。如下图所示：

图 7.1.1 启动模式引脚

整个系统的启动过程如下图所示：

图 7.1.2 ZYNQ系统启动过程

在上电复位（Power On Reset，POR）之后，硬件会采集模式引脚的状态，禁用器件内部的模块，并根据模式引脚的设置选择是否使能PS的时钟锁相环。而在其他的复位条件下，比如通过PS的复位按键，硬件不会执行上述的动作。
实验任务
本章的实验任务是在“AXI GPIO按键控制LED实验”的基础上创建FSBL，实现程序上电自启动，包括从SD卡启动和从QSPI Flash启动两种方式。
硬件设计
本次实验在“AXI GPIO按键控制LED实验”的基础上进行，因此我们需要先打开该实验的工程，并启动SDK，首先在SDK中验证程序的功能。
功能验证之后，需要对系统的硬件设计进行修改。在Vivado界面左侧选择Open Block Design，然后在右侧的Diagram界面中双击ZYNQ Processing System模块修改其配置。主要包括使能QSPI以及SD控制器外设，并分别设置Bank0和Bank1的电平标准，如下图所示：

图 7.3.1 使能QSPI Flash控制器

图 7.3.2 使能SD卡控制器

上面两幅图中具体每个外设所连接的MIO引脚可以通过查看核心板原理图得知，设置完成后点击“OK”。然后在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，执行“Generate Output Products”。最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
在生成Bitstream之后，在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware重新导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”。导出硬件会弹出一个对话框，提示我们是否覆盖之前导出的硬件设计文件，如下图所示：

图 7.3.3 覆盖已经导出的文件

在对话框中点击“Yes”，确认导出硬件并覆盖之前的文件。注意，在导出硬件之前，我们已经启动了SDK软件，打开并验证了本次实验的软件工程。
软件设计
在重新导出硬件之后，我们在SDK软件中会看到如下图所示的警告信息：

图 7.4.1 SDK警告信息

图 7.4.1提示我们硬件设计文件发生了改变，点击“Yes”继续，然后软件会对程序重新进行编译。
接下来在BSP工程上右击，然后在菜单中选择“Board Support Package Settings”，如下图所示：

图 7.4.2 设置BSP工程

在弹出的BSP设置界面中，勾选“xilffs”，以使用FAT文件系统，如下图所示：

图 7.4.3 勾选Xilffs

BSP设置完成后我们就可以生成一个FSBL用来加载应用程序并配置PL。这个过程非常简单，因为SDK已经提供了一个FSBL的示例。在菜单栏中选择“File->New->Application Project”，然后在弹出的新建工程界面中设置工程名，并选择工程中的BSP，如下图所示：

图 7.4.4 新建工程

接下来点击Next，并在示例工程中选择“Zynq FSBL”，最后点击“Finish”，如下图所示：

图 7.4.5 创建FSBL

FSBL工程创建完成之后，SDK软件会自动执行编译过程，生成FSBL.elf文件。
接下来我们就可以使用FSBL、BIT文件和C应用程序来创建启动镜像。在SDK菜单栏中选择“Xilinx -> Create Boot Image”，如下图所示：

图 7.4.6 创建Boot Image

在弹出的创建Boot Image对话框中，设置输出文件的路径，如下图所示：

图 7.4.7 设置输出路径

在图 7.4.7中，设置了两个文件的输出路径，路径中的“bootimage”是我们在FSBL目录下新建的文件夹。红色方框中的BIF是Boot Image的配置文件，BIN是启动文件。
接下来，点击图 7.4.7中红色圆圈所指示的Add按钮来添加用于生成Boot Image的文件，弹出如下图所示的界面：

图 7.4.8 添加FSBL

首先添加的是FSBL，在Partion type一栏默认的文件类型为bootloader，然后指定FSBL.elf所在的文件路径。点击“OK”后返回图 7.4.7所示的界面，再次点击“Add”按钮，添加FPGA配置文件，如下图所示：

图 7.4.9 添加BIT文件

        从图 7.4.9可以看到，Partion type一栏的文件类型变成了datafile，而BIT文件在我们创建SDK应用时已经导入到SDK工程中了。需要注意的是，BIT文件必须跟在FSBL后面，文件添加的顺序不能弄错。
再次点击“OK”，返回图 7.4.7所示的界面，然后点击“Add”按钮，添加应用软件，如下图所示：

图 7.4.10 添加ELF文件

点击“OK”。ELF文件添加完成后，创建Boot Image界面如下图所示：

图 7.4.11 添加文件完成

在图 7.4.11中点击“Create Image”，完成BIN文件的创建。创建完成后，在我们指定的文件夹下可以看到生成的两个文件，如下图所示：

下载验证

我们首先来验证如何从SD卡中启动程序。将Micro SD卡插入读卡器，然后在电脑上将其格式化为FAT32格式，如下图所示：

图 7.5.1 格式化SD卡

然后将生成的BOOT.bin文件拷贝到SD卡根目录下，最后将SD卡从读卡器中取出，并插入领航者底板背面的Micro SD卡的卡槽中。
接下来将领航者底板上的启动模式开关BOOT_CFG的两个开关均拨到下面（都置为OFF），即设置为从SD卡启动。不同的启动方式与两个拨码开关的状态对应关系如下图所示：

图 7.5.2 启动模式设置

最后连接开发板的电源线，并打开电源开关。
电源开关打开后，核心板上PL配置完成的绿色指示灯点亮。然后每次按下底板上PL_KEY0，可以改变核心板上LED2的显示状态，说明程序能够实现从SD卡中自启动。开发板实物如下图所示：

图 7.5.3 SD卡启动

SD卡启动验证完成后拔下Micro SD卡。接下来我们来介绍如何将程序固化到QSPI Flash中。
将程序固化到QSPI Flash需要使用JTAG下载器。首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。接下来将领航者底板上的启动模式开关BOOT_CFG的两个开关均拨到上面（都置为ON），即设置为JTAG模式。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
在SDK软件的菜单栏中点击“Xilinx->Program Flash”，如下图所示：

图 7.5.4 打开Program Flash

在弹出的对话框中指定前面所生成的镜像文件BOOT.bin以及FSBL.elf文件，如下图所示：

图 7.5.5 Program Flash 界面

在图 7.5.5中点击“Program”，开始对Flash进行编程，这个过程需要花费一段时间。
FLASH编程结束后，控制台提示信息如下图所示：

图 7.5.6 QSPI Flash下载成功

接下来关闭开发板电源开关，并拔掉JTAG接口。然后将领航者底板上的启动模式开关左边的1号开关拨到上面（置为ON），右边的2号开关拨到下面（置为OFF），即设置为由QSPI Flash启动，然后再次打开电源开关。
电源开关打开后，核心板上PL配置完成的指示灯点亮。然后每次按下底板上PL_KEY0，可以改变核心板上LED2的显示状态，说明程序能够实现从QSPI Flash中自启动。实物图如下所示：

图 7.5.7 QSPI Flash启动

armok.

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