FPGA - Zynq - 加載 - BootROM

題外話

BootROM

BootROM Header Definition

BootROM Header Searching and Loading

總結(jié)

題外話

第一次使用Markdown編寫博客，之前都是直接用word或者onenote寫好之后復(fù)制到博客上，發(fā)現(xiàn)文字編排效果很差，不忍翻閱下去。所以轉(zhuǎn)投markdown懷抱。

這里將會(huì)新開一個(gè)章節(jié)，專門更新關(guān)于Zynq的一些心得，我希望能夠完成以下幾個(gè)方面：

因此，我希望能夠通過(guò)Zynq片上強(qiáng)大的FPGA資源和ARM資源，來(lái)完成FPGA工程師和ARM工程師的協(xié)同工作，一般來(lái)說(shuō)FPGA部分來(lái)完成所有高速接口驅(qū)動(dòng)以及一些高速算法（并行獨(dú)立或者串行復(fù)用），然后ARM部分來(lái)完成通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，不管是私有的（如用戶自定義的串口協(xié)議的封包和解包）或者標(biāo)準(zhǔn)的（如TCP/IP或者USB等），以及FPGA的流程控制，錯(cuò)誤狀態(tài)控制還有遠(yuǎn)程更新控制等。

為了完成上述化學(xué)反應(yīng)，一個(gè)很重要的方面就是如何協(xié)調(diào)ARM和FPGA（都是Zynq片上的資源），這個(gè)其實(shí)很多開發(fā)板的學(xué)習(xí)手冊(cè)都已經(jīng)給出了答案，那就是應(yīng)用AXI4總線。那剩下的問題就是，如何實(shí)現(xiàn)Multiboot以及fallback。

因?yàn)樵赟6或者其他7系列的FPGA中，是有一套非常成熟的FPGA加載機(jī)制（Xilinx有很詳細(xì)的指導(dǎo)手冊(cè)），但是來(lái)到Zynq時(shí)代，這個(gè)方式變了。為什么呢？因?yàn)楝F(xiàn)在zynq上有ARM了，所有的加載工作實(shí)際上可以借由ARM來(lái)實(shí)現(xiàn)，這無(wú)疑也給用戶帶來(lái)了靈活的操作空間，即用戶可以自己整一套屬于自己的，滿足要求的加載方式，這也是本文研究的重點(diǎn)：解析Zynq的加載方式。

這里將通過(guò)對(duì)比Zynq的TRM和FSBL源碼，來(lái)一步一步解析Zynq的加載流程，如下所示

運(yùn)行流程簡(jiǎn)單的說(shuō)就是：

觸發(fā)條件 POR或者non-POR

ARM加載BootROM，這個(gè)程序停留在Zynq內(nèi)部ROM，用戶無(wú)法修改，用于實(shí)現(xiàn)搜索FLASH中的BootROM header，然后根據(jù)Header（這個(gè)header在整個(gè)FLASH中至少需要一個(gè)，Xilinx的軟件會(huì)自動(dòng)整合出來(lái)這哦頭文件）信息，將FSBL加載到OCM（on chip memory）

開始運(yùn)行FSBL，進(jìn)一步加載Bitstream（PL用，如果有bit文件在FLASH中的話）或者其他鏡像（PS用，裸機(jī)或者帶系統(tǒng)）

run 上述的其他鏡像，裸機(jī)或者RTOS的話直接run，linux的話需要先運(yùn)行u-boot

BootROM

永遠(yuǎn)問自己，我們的芯片（在這里是Zynq）在POR復(fù)位或者non-POR 復(fù)位后，ARM是怎么樣一步一步最終來(lái)到用戶的main.c，對(duì)FPGA工程師而言，就是FPGA是怎么完成初始化任務(wù)的。

這里我們不妨寫的詳細(xì)一點(diǎn)，將所有的技術(shù)細(xì)節(jié)都呈現(xiàn)出來(lái)。這就需要我們打開Zynq的TRM：

可以看到，在non-POR或者POR以后，Zynq會(huì)完成：

鎖存配置引腳，如下圖所示，

2 初始化PLL（根據(jù)復(fù)位時(shí)鎖存的進(jìn)行選擇初始化或者不初始化）

3 初始化APU（由兩個(gè)ARM CPU構(gòu)成）

4 ROM CRC check

5 初始化boot用的引腳（Q-spi，NOR，SD，NAND等等），根據(jù)上一步鎖 存的配置引腳進(jìn)行選擇。

6 出發(fā)并等待PL完成初始化，前提是PL部分上電已經(jīng)完成的話。如果此時(shí)PL8 上電沒有完成，這這一步直接跳過(guò)

7 開始搜索BootROM Header，如果搜索到了一個(gè)合法的header，就會(huì)基于這個(gè)header加載FSBL（加密或不加密）

8 被加載的FSBL可能是XIP（execute in place，在存儲(chǔ)器里直接運(yùn)行）或者是被加載到了DDR中，加載完畢后BootROM完成任務(wù)，將控制權(quán)交給了FSBL。

通過(guò)上面的流程描述，我們可以獲得一個(gè)表觀的理解，原來(lái)Zynq加載蠻復(fù)雜的。因?yàn)閆ynq里面包含了PS（APU，即兩個(gè)ARM Cortex-A9 cpu）和PL（根據(jù)系列的不同，可能是A7系列，也可能是K7系列）兩個(gè)部分。

這兩個(gè)部分的加載，會(huì)根據(jù)用戶選擇的不同而不同，如下所示：

從上面可以知道，PS的加載和PL的加載并不是完全獨(dú)立的，如下圖所示

Note 1: if PL was power-up(needed for JTAG or secure mode), BootROM will initial PL then wait until PL complete initialization

如上流程，就是整個(gè)PS和PL加載的過(guò)程，基本上我們只需要保證合適的文件被正確的燒寫到FLASH中，那么整個(gè)加載就會(huì)正確的跑下去，這個(gè)所謂的合適的文件包括：

1 BootROM Header， Xilinx的工具自動(dòng)生成

2 FSBL，Xilinx由范例工程

3 BitStream，用戶根據(jù)項(xiàng)目自定義的PL固件，即ARM固件

4 Application.elf，用戶根據(jù)項(xiàng)目自定義的PS固件，即FPGA固件

整個(gè)BootROM是寫死在Zynq的片上ROM中，其中最重要，同時(shí)也會(huì)影響后面FSBL執(zhí)行的，就是BootROM Header的searching 和 loading。

BootROM Header Definition

類似于A7或者S6系列的multiboot過(guò)程需要一個(gè)header文件，它用于實(shí)現(xiàn)：

1 同步，F(xiàn)LASH位數(shù)自動(dòng)檢測(cè)

2 指定 Golden所需的Bin在FLASH中的Offset

3 指定Function所需的Bin在FLASH中的Offset

4 發(fā)送PROGRAM-B指令，讓FPGA開始加載Bin

在Zynq系列中，這個(gè)Header的功能被進(jìn)一步的擴(kuò)大，下面我們來(lái)看一下這個(gè)Header的定義吧：

接下來(lái)逐條來(lái)解釋其作用，同時(shí)留下一點(diǎn)伏筆，因?yàn)檫@些最終都會(huì)被FSBL所引用。

1 Interrupt Table for Execution-in-Place — 0x000 to 0x01C

這些數(shù)據(jù)用于XIP，這里不討論

2 Width Detection — 0x020

用于檢測(cè)Qspi的位寬到底是X1，X2，還是X4，如果是X8，還需要下面那個(gè) Image Identification 寄存器

3 Image Identification — 0x024

固定為0x584C4E58,‘XLNX’，還可用于X8檢測(cè)

4 Encryption Status — 0x028

配置FSBL/User code到底是加密還是不加密

5 FSBL/User Defined — 0x02C

用于保存Header的版本，應(yīng)該也是xilinx自動(dòng)生成的

6 Source Offset — 0x030

用于保存FSLB/User code image被保存的offset地址，這個(gè)Offset是相對(duì)于Header的起始位置而言的，這個(gè)在FSBL中會(huì)有體現(xiàn)，這留個(gè)記號(hào)

7 Length of Image — 0x034

用于保存被加載的FSLB/User code image的大小，<=192KB。該數(shù)據(jù)=0時(shí)意味著不需要copy，是XIP。

8 FSB Load Address— 0x038

FSLB/User code image copy的目標(biāo)地址，因?yàn)樵搃mage是存在FLASH中的，需要被復(fù)制到其他OCM中去。

9 Start of Execution — 0x03C

copy完以后，cpu需要從哪里開始執(zhí)行第一條代碼，<= 0x30000,也即是192KB。這個(gè)很重要，會(huì)在介紹FSBL源碼的時(shí)候重新在驗(yàn)證并確認(rèn)這個(gè)功能。然而這樣地址，或者長(zhǎng)度之類的，都是通過(guò)配置Xilinx提供的工具自動(dòng)打包生成的。

10 Total Image Length — 0x040

load進(jìn)OCM的總長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度會(huì)大于等于Length of Image — 0x034，因?yàn)樵诩用苣Ｊ较拢€會(huì)包含HMAC頭文件之類的。

11 QSPI Config Word — 0x044

固定為0x01

12 Header Checksum — 0x048

0x020 to 0x044的checksum，用于驗(yàn)證Header是否完整，F(xiàn)SBL會(huì)應(yīng)用到

13 FSBL/User Defined— 0x04C to 0x097

自定義數(shù)據(jù)

14 ？？？Boot Header Table Offset？？？— 0x098

TRM中這個(gè)數(shù)據(jù)的命名好像有問題

15 QSPI Config Word — 0x09C

指向Image Header Table，這個(gè)Table里面會(huì)記錄整個(gè)FLASH里面除了FSBL以外，還有幾個(gè)image，包括Bitstream，elf等等。每一個(gè)image會(huì)有一個(gè)Header（不是這里的BootROM Header，而是專門的Header，F(xiàn)SBL里面在介紹），所有的Header組成一個(gè)Table。

16 Register Initialization Parameters — 0x0A0 to 0x89C

利用Add+Data的方式，直接對(duì)某個(gè)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作，應(yīng)該非常高效，估計(jì)也是xilinx工具自動(dòng)生成的。

17 FSBL/User Defined — 0x8A0 - 0x8BF

18 FSBL Image or User Code Start Address — 0x8C0

FSBL Image or User Code 實(shí)際可以放置的起始地址，也就是上面的Source Offset — 0x030 >= 0x8C0

介紹了這么多，估計(jì)一時(shí)也不好消化，沒有關(guān)系，上面黃色標(biāo)記了的數(shù)據(jù)，會(huì)在FSBL中隆重的重新介紹。

BootROM Header Searching and Loading

回到老話題，BootROM會(huì)利用上述BootROM Header把FSBL拷貝到OCM中，然后讓FSBL接管CPU開始run。而實(shí)際上FSBL也會(huì)應(yīng)用上面的BootROM Header文件去尋找下一步所需的image，包括BitStream等，這個(gè)以后再說(shuō)。

那么BootROM 是如何找到BootROM Header的呢？

1 BootROM會(huì)首先在FLASH的0x00處尋找Header，依據(jù)就是Image Identification parameter – 0x024 是否等于 ‘XLNX’ . 其次就是檢查Header Checksum — 0x048

2 如果都沒有問題，就按照Header內(nèi)容將FSBL的code加載到OCM的指定位置，然后run。

3 如果有問題，將Multiboot reg 加 1 ，然后自動(dòng)發(fā)送non-POR，下一次運(yùn)行的BootROM下一個(gè)32KB來(lái)尋找Header ，并重新檢查是否滿足條件。

4 Multiboot reg在這個(gè)寄存器不會(huì)被non-POR清除，會(huì)被保留到下一次的Boot中去

因此，BootROM Header 必須放置在32KB的整數(shù)倍位置，這個(gè)應(yīng)該是Xilinx的工具自動(dòng)完成的

這個(gè)檢查checksum的操作也同樣的在FSBL中被執(zhí)行，以后在介紹

總結(jié)

介紹了這么多，總結(jié)一下：

重啟后自動(dòng)執(zhí)行BootROM

BootROM會(huì)自動(dòng)尋找 BootROM Header

找到Header后，會(huì)將FSBL加載到OCM中

然后將CPU的PC指針指向目標(biāo)地址，同時(shí)FSBL開始run

審核編輯 ：李倩