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将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加载运行。
这个过程需要启动引导程序( Boot Loader)参与,Boot Loader会加载FPGA配置文件,以及运行在ARM中的软件应用。
一、简介
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。
ZYNQ系列是没有办法只固化PL的程序的(NorFlash、SD卡等是连接在PS端的)。
PS 支持多种片外非易失性存储器(Quad SPI Flash,NAND Flash,NOR Flash 或 SD 卡)。
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,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。
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:
- 初始化 PS
- 如果提供了 BIT 文件,则配置 PL
- 加载裸机应用程序到 DDR 中
- 开始执行裸机应用程序
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。
ZYNQ 的启动镜像需要如下文件:
- Boot ROM 头文件,控制 Boot ROM的设置
- First-Stage Boot Loader,FSBL文件
- PL 配置文件,即 BIT 文件
- PS软件应用程序,即ELF文件
Boot ROM Header文件是自动生成的。
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],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。
通常模式下,锁相环PLL是启动的,PS-CLK提供时钟信号,经过三路PLL:
- ARM PLL,产生时钟用于CPU和互联
- IO PLL,产生时钟用于IO外围设备
- DDR PL,产生时钟用于DDR、DRAM 控制器和AXI-HP接口
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。
整个系统的启动过程如下图
二、固化操作
2.1 生成固化文件
在Block Design 的ZYNQ Processing System模块中要使能SD外设和QSPI外设。
- 使能SD外设,将程序固化到SD卡中。
- 使能QSPI外设,将程序固化到Flash中。
在创建platform的步骤中需要勾选Generate boot components (生成启动组件)选项,勾选之后,软件会自动在硬件平台工程里生成 fsbl 的相关文件。
工程编译后,在系统工程和应用工程下会各自生成一个Debug文件夹。
- 系统工程下的 Debug 文 件里包含的是 BOOT.BIN(固化文件)
- 应用工程下的 Debug 文件里包含的是 elf文件(应用工程烧录文件)
同时,硬件平台工程文件夹下也生成了 fsbl.elf(启动引导文件)
也可以手动生成BOOT.BIN文件
bif文件是BOOT.BIN文件的参数描述。
3个文件的添加顺序不能乱。
2.2 固化到SD卡
将生成的 BOOT.bin 文件拷贝到 SD 卡根目录下。(SD卡文件系统为FAT32格式)。
将板卡启动模式设置为从SD卡启动。
2.3 固化到Flash
将程序固化到 QSPI Flash 需要使用 JTAG 下载器。( 此时要设置为从JTAG启动 )
Vitis 软件的菜单栏中点击"Xilinx->Program Flash"。
在弹出的 Program Flash Memory 界面中中配置BOOT.BIN文件路径和FSBL文件路径。
点击"Program",开始对 Flash 进行编程。
Flash编程完成后,将板卡启动模式设置为从QSPI Flash启动。
参考
【正点原子】启明星ZYNQ之嵌入式Vitis开发指南v1_2