學習內(nèi)容
本文把程序存儲在非易失性存儲器中， 在上電或者復位時讓程序自動運行，這個過程需要啟動引導程序（ Boot Loader） 的參與。Boot Loader 會加載 FPGA 配置文件， 以及運行在 ARM 中的軟件應用。
開發(fā)環(huán)境
vivado 18.3&SDK PYNQ-Z2開發(fā)板
Boot和配置簡介
在 ZYNQ的啟動和配置時， 既需要 PS 的配置信息，又需要 PL 的配置信息。ZYNQ無法純FPGA像xilinx那樣只進行FPGA端口的配置。在 ZYNQ 中， 我們可以理解為PS作為主器件， PL 端口可以看作是 PS 的一個外設(shè)，因此需要由 PS 來配置 PL。這個配置順序的優(yōu)勢是它允許對 PS 單獨上電的時候， 此時 PL 不上電，以減小功耗。在配置文件內(nèi)FPGA BIT 文件用來定義 PL 的配置信息和操作；而 ELF 文件用于配置運行在 PS 中的程序。
啟動流程圖
在進行配置時的主要流程，如下圖所示。
上圖中的Mode_Pins是boot模式的設(shè)置引腳，是幾個MIO引腳，通過給這幾個引腳配置不同的高低電平，進而選擇不同的啟動模式。完成啟動后，這幾個IO可以作為ARM的GPIO進行使用。STAGE0階段是BootROM執(zhí)行階段，就是將一些的外設(shè)和寄存器進行初始化，從FSBL中讀取代碼，讀取到OCM中進行運行，比如我們從Flash讀取后續(xù)代碼那就需要將flash進行初始化。STAGE1中，F(xiàn)SBL（用戶也可修改，由SDK自動生成模板）執(zhí)行階段，F(xiàn)SBL、用戶代碼執(zhí)行，就是對更多外設(shè)的初始化，比如DDR等。初始化完畢后會從啟動鏡像中讀取bit流來配置PL，加載裸機應用程序到DDR中去運行。STAGE2為裸機運行階段。然后運行用戶編寫好的程序。
BootROM and Header Parameters
ZYNQ SoC 的啟動由片上的 BootROM 開始。片上 BootROM 是 ZYNQ 芯片上的一塊非易失性存儲器，它包含了 ZYNQ 所支持的配置器件的驅(qū)動， 而且里面的代碼是不可修改的。BootROM 中的代碼首先會在片外的非易失性存儲器中尋找一個頭文件， 頭文件里定義了一些啟動信息， 用于配置 BootROM 的運行。這些啟動信息包括是程序是否就地執(zhí)行（ excute in place） ， FSBL 的偏移地址以及是否為安全模式等。頭文件的存在確保 BootROM 能夠按照配置器件被格式化后的方式操作。
FSBL階段
BootROM 執(zhí)行之后，下一個配置階段被稱為 First-Stage Boot Loader（ FSBL）， 它是由設(shè)計者所創(chuàng)建的。FSBL 可以配置 DDR 存儲器和硬件設(shè)計過程中所定義的一些外設(shè)。這些器件需要在加載軟件應用及配置 PL之前就初始化完畢。FSBL 的工作內(nèi)容：1、 初始化 PS；2、 如果提供了 BIT 文件，則配置 PL；3、 加載裸機應用程序到 DDR 中，或者加載 Second-Stage Boot Loader（ SSBL）；4、 開始執(zhí)行裸機應用程序，或者 SSBL。PL 的配置是通過處理器配置訪問接口（ Processor Configuration Access Port， PCAP） 進行的，它允許對PL 進行部分配置或者完全配置。有關(guān) PL 的部分配置我們會在其他章節(jié)予以介紹。一旦 PS 啟動運行之后，PL 可以在任意時刻被配置， FSBL 和應用程序可以清除、 配置以及使能 PL。
BOOT模式引腳
ZYNQ SoC 使用多個模式引腳來決定配置器件的類型， 軟件的存儲位置以及其他的系統(tǒng)設(shè)置， 這些引腳共享 PS 端的 MIO 引腳?？偣灿?7 個模式引腳， 分別為 MIO[8:2]。其中，前四個引腳定義啟動模式，第五個引腳定義是否使用 PLL， 第六個和第七個引腳定義上電過程中 MIO bank0 和 bank1 的 bank 電壓。
構(gòu)建一個 ZYNQ 的啟動鏡像我們需要以下的文件：
- Boot ROM 頭文件：控制 Boot ROM 設(shè)置，比如就地執(zhí)行、 加密、 FSBL 偏移量、鏡像文件大小等；
- First-Stage Boot Loader；
- PL 配置文件， 即 BIT 文件；
- 運行在 PS 上的軟件應用程序ELF;
PS軟件復位階段
PS軟件復位階段有三個，stage0：BootRom，stage1：FSBL，stage2：運行系統(tǒng)或者裸機代碼。
PL硬件復位階段
PL硬件復位階段，首先通過PS的端口進行啟動模式的設(shè)置，設(shè)置完成后進行PLL的配置初始化。
安全啟動模式流程圖
在安全模式下，啟動鏡像總是由CPU寫入OCM內(nèi)存。從那里，它被送 (使用DMA)進、送出AES（Advanced Encryption Standard）/HMAC（密鑰相關(guān)的哈希運算消息認證碼）單元進行解密和身份驗證。解密的引導映像被寫入OCM內(nèi)存，并在引導完成后執(zhí)行。也就是每個ZYNQ都有一條解密算法專門這對自己的FLASH進行解密，flash中的代碼就只能被本zynq使用。
硬件平臺搭建
我們隨便打開一個工程，因為我們這里要通過使用SD卡和JTAG模式進行下載，所以我們在硬件平臺的構(gòu)建下要進行，勾選SD和 SPI FLASH
然后我們進行g(shù)enerate output product 然后生成HDL封裝，完成約束后進行綜合布局布線，等待生成bit流文件。bit文件生成后在FILE處，點擊導出硬件資源（包含bit流文件），接著launch SDK。
SDK軟件部分
本次使用的是AXI_GPIO的IP的工程進行固化，在打開SDK后，我們需要構(gòu)建我們的鏡像文件用于SD卡啟動。選中工程右擊選中設(shè)置板載支持文件模式。
這里選擇xilffs模式，選中后點擊OK。
然后新建應用程序
點擊next，選中構(gòu)建FSBL文件
完成創(chuàng)建后等待編譯，編譯完成后準備創(chuàng)建鏡像文件。這里選中axi_gpio的位置，然后點擊創(chuàng)建鏡像的選項，鏡像文件會自動添加進去需要的工程文件，
鏡像工程包含fsbl的elf文件，bit流文件，用戶編寫的應用程序elf文件，如果要自行添加，注意三個文件的順序。
完成后，等待運行，運行結(jié)束后即可完成鏡像構(gòu)建。
SD卡運行
把BOOT.bin文件復制到SD卡中，板子的模式配置條線選擇SD卡模式，上電運行即可實現(xiàn)我們編寫好的程序。
在這里插入圖片描述
FLASH運行
選擇編程配置flash，
添加鏡像工程和FSBL文件，點擊下載編程即可完成下載。這里下載時要跳線接入JTAG模式，下載完成后跳線QSPI，即可從flash中讀取我們編寫好的程序。
Reference
- 正點原子ZYNQ嵌入式開發(fā)指南.
- XILINX文檔UG585.ZYNQ-7000-TRM