Zynq系列FPGA如何固化bit文件到QSPI_Flash

Posted 2021-01-02 ylsm-kb

最近由于项目需要，要将bit文件固化到zedboard的flash中，使程序上电自启，断电不丢失。

我们知道，一般板级调试的时候都是直接下载bit流到FPGA就行，固化到Flash的话，也是先生成.mcs文件，然后下载到Flash即可。

但是在经过反复尝试之后，发现对zynq系列好像行不通。

why？这得从zynq的启动流程说起。

一、ZYNQ的启动流程

ZYNQ7000 SOC 芯片可以从 FLASH 启动，也可以从 SD 卡里启动， 本节介绍程序 FLASH 启动的方法。Zynq7000 SOC 芯片上电后，最先运行的是ARM端系统(PS)。然后再通过ARM系统软件部分加载FPGA的比特流文件.bit至FPGA(PL)，配置FPGA PL端的逻辑功能。ZYNQ 系统的启劢流程如下：

　ZYNQ启动分为两个阶段

• 第一阶段是 BOOT ROM（ZYNQ厂家固化代码）
• 第二阶段是 FSBL (First Stage Bootloader)SDK工具来制作。

经过以上两个阶段，PL端配置程序及应用程序才开始运行。

1.1 第一阶段 (BOOT ROM)

• 上电后，Zynq7000 SOC 会首先执行片内 Boot ROM 代码，Boot ROM 代码读取 Boot mode 寄存器来判断是哪一种启动方式(SD card/QSPI Flash/JTAG)。
• 确定好哪种启劢方式后，Boot ROM 从相应的启动设备(SD Card/QSPI Flash)加载 First Stage Bootloader (FSBL) 到On Chip Memory(OCM) RAM，并且将执行权交付给 FSBL。

1.2 第二阶段 FSBL (First Stage Bootloader)

使用SDK 工具一步步生成 FSBL 代码和可执行文件，结合代码可知 FSBL 主要做了如下工作：

 

• 初始化 CPU，初始化串口；
• Processor System (PS) 一些控制器的初始化，如 MIO, PLL, CLK and DDR；
• 禁止 L1 Data Cache；
• 注册 ARM 中断向量；
• 通过 Boot mode 寄存器，判断是哪种启动方式。

1.2.1 QSPI Flash 启动方式：

• 初始化 QSPI Flash 控刢器；
• 从 Flash 拷贝 system.bit 到 FPGA (如果 Flash 中存有 system.bit)；
• 从 QSPI Flash 拷贝应用程序的代码到DDR3；
• 调转到应用程序执行；

1.2.2 SD Card 启动方式：

1. 初始化 SD 控刢器；
2. 从 SD Card 拷贝 system.bit 到 FPGA (如果 BOOT.BIN 中存有 system.bit)；
3. 从 SD card 拷贝应用程序的代码到 DDR3；
4. 跳转到应用程序执行；

1.2.3 JTAG 启动方式，直接退出。

 

因此，对于Zynq系列的FPGA芯片来说，固化到Flash中的bit文件需要一个引导程序（也就是FSBL），才能被用来配置PL。实际上，FSBL会作为BootLoader和bit文件一起合成一个.bin或者.mcs文件，然后下载到Flash中，过程如下：

 

二、生成BOOT.bin或者BOOT.mcs

　2.1 VIVADO操作

　　你应该已经有了一个完整的工程，接下来你需要添加并配置PS端，生成新的bit文件：

 　　　　（1）建立一个新的块设计（Create Block Design）

　　　　

　　　　（2）添加ZYNQ7 Processing System

　　　　

　　　　（3）双击所添加的zynq7，配置peripheral I/O，我们只保留Quad SPI Flash

　　　　

　　　　（4）在 Diagram 界面里点击"Run Block Automation"完成对 ZYNQ7 Processing System IP核的配置，生成外部 ZYNQ 系统的外部链接 IO 管脚。

　　　　

　　　　（5）在 Source 窗口中选中 design_1.bd,右键并先后选择Generate Output Projects 和 Create HDL Wrapper 选项，生成顶层文件design_1_wrapper。

　　　　（6）在顶层文件中例化我们原来的工程；（特别注意：要将原来工程的外部引脚也例化为现在顶层工程的I/O，并配置好约束）。

　　　　（7）重新生成bit流。

　　　　（8）Export to Hardware（包含bitstram 文件），Launch SDK，暂时告别VIVADO，进入SDK进行操作。

　2.1 SDK操作

 　　　　（1）进入SDK 开发环境后，点击菜单 File -> New -> Application Project。

　　　　

　　　　（2）点击next，选择Zynq FSBL

　　　　

　　　　（3）接下去我们要把 FSBL 可执行文件，FPGA PL的bit比特流文件和PS应用程序结合成一个 Bin 文件或Mcs文件。

　　　　选择菜单 Xilinx Tools->Create Boot Image：

　　　　

　　　　选择output.bif的存放地址，选择生成bin文件还是mcs文件，然后依次添加zynq_fsbl.elf（BootLoader）、bit文件、应用程序elf文件（这个如果没有可以省略），最终生成用于固化的bin或者mcs文件。

　　　　

　　　　（4）将生成的bin或者mcs文件下载到Flash（经过验证，这两种类型的文件都可以）

　　　　开发板上电，选择菜单 Xilinx Tools->Program Flash：

　　　　

　　　　加载文件：

　　　　

　　　　（5）点击Program，出现如下信息，则成功。然后断电，切换板子的启动方式，然后重新上电就会发现板子自动配置完成的灯亮了，搞定！

 　　　　

　

　　注意：若出现以下信息，排除掉Jtag线缆的问题之后，可能的原因是之前同时连接过多个开发板，导致识别出来的芯片型号有不止一个，然后它就检测到JTAG断开（我就是这个问题）。

　　　　

 　　解决方法很简单：关掉SDK，重新打开，重新Program Flash即可。

 

参考连接：1.https://blog.csdn.net/taowei1314520/article/details/78595482

　　　　　2.https://blog.csdn.net/fengyuwuzu0519/article/details/80411894