裸板ZYNQ简单实战-程序固化篇

前言

一般的调试中我们都是通过 JTAG 接口将 FPGA 配置文件和应用程序下载到 ZYNQ 器件中。同样的，我们也可以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。好吧下面又要开始大段摘抄原子的开发手册了（感谢原子）：
对了很重要的一点：在官方的的fsbl工程中是有调试开关的，在src/fsbl_debug.h中增加FSBL_DEBUG_INFO的宏定义，这样就将fsbl中所有的调试信息打开，启动过程中会有各种打印信息。
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
在这里插入图片描述
整个系统的启动过程如下

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
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：
在这里插入图片描述
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：

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。在需要的工程文件上右键
在这里插入图片描述
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

在图中，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
在这里插入图片描述
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：

从图可以看到， 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，返回添加添加elf文件
在这里插入图片描述
点击“ OK”。 ELF 文件添加完成后，创建 Boot Image 界面如下图所示：

生成即可
在 SDK 软件的菜单栏中点击“ Xilinx->Program Flash”，如下图所示：

镜像文件和FSBL文件放在如图所示的位上（这个图都偷原子是不是太过分了，实在没办法自己的工程路径会透露个人隐私和咳咳咳，保密第一所以，对不住了）FLASH类型这块选择默认的就行如下图所示，应该是和原子的FLASH类型不同吧
在这里插入图片描述
至此为止大功告成，固化也就成功了（相比之前单片机的一键傻瓜式确实麻烦一些，但是真的不难，从头到尾自己来上这么一次就熟悉了）