100块学会ZYNQ-矿板Nand Flash烧写和启动

矿板简介

EBAZ4205是矿机的控制板，拆机后可以作为开发板使用，但是需要经过一些硬件上的改动。如果不是对FPGA或者ZYNQ硬件很熟悉话，建议还是不要浪费时间了。对于这块矿板硬件的改动，在下次的blog里专门讲一下。这次来说一说最近遇到的一个问题和解决方法，希望帮助有需要的朋友。

ebit矿板启动模式

板子的默认启动模式是Nand Flash启动，网上有很多的教程是把启动模式改成SD卡启动，然后将启动镜像拷贝SD卡中。首先，这种方式是可行的、靠谱的，但是需要做一些改动，就是需要增加一个20K的电阻。
启动模式参考[1]中的Chapter 6: Boot and Configuration。

竟然板子默认的是Nand Flash启动，说明这种方式肯定也是可以调试的，而且1Gb（256MB）的Nand Flash运行一个裁剪的小一点的Linux肯定也是没问题的。那么问题就来了如何烧写Nand Flash呢？

Nand Flash的烧写问题

在SDK中可以完成ZYNQ PL端bit文件的下载和PS端elf文件的下载，当然也可以对Nand Flash编程。在Vivado中完成系统的配置和PL部分的逻辑，然后到SDK中完成软件部分的开发，这一部分可以直接使用SDK提供的工程模板，几乎是不需要任何修改，直接运行就可以了。这一部分网上的教程也很多我就不提了。但是，一会要说一下生成FSBL。

制作启动镜像需要以下三个东西：

Partitions	说明
FSBL	使用SDK的FSBL工程模板生成
Bit文件	Vivado中Block Design生成的bit文件
应用程序代码	裸机程序或者uboot

注意：Create Boot Image的时候，这三个文件的顺序不能错。

在SDK中 Program Flash 的时候，会出现以下错误：
Initialization done, programming the memory
BOOT_MODE REG = 0x00000004
WARNING: [Xicom 50-100] The current boot mode is NAND.
If flash programming fails, configure device for JTAG boot mode and try again.
Problem in running uboot
Flash programming initialization failed.

报错信息中提示，烧写Nand Flash的时候需要工作在JTAG启动模式，但是改硬件将启动模式改为JTAG，烧写完成之后还要在改回Nand Flash启动，这很明显是不可行的。

FSBL的启动流程

这里首先要插入一个科普知识了，ZYNQ相对于其他通用ARM处理器很特殊的地方就是 FSBL。FSBL（First Stage Bootloader）的作用就是配置PL和加载用户的应用程序，这是其他的通用处理器不需要的做的。在FSBL之前还有一个Stage-0 Boot，这个是大部分处理器都有的，固化在处理器的内部ROM中，上电复位之后，最先执行，负责检测启动模式、配置时钟和内存接口，并将bootloader复制到内存中，然后将处理器交给bootloader。

要想知道FSBL的具体工作流程，很简单，只需要仔细的阅读资料[2]，UG821中详细的介绍了FSBL的启动流程和各种启动模式。这里面涉及到Secure Boot，加密和验证的过程比较复杂，可以关注Non-Secure Boot模式。这里我就不做搬运工了。

看完了UG821，接下来需要做的就是去阅读FSBL的源代码，这里大家一定不要有心里负担，FSBL部分的代码非常的少，也很简单，因为FSBL是运行在OCM（On-Chip-Memory）中，所以必须很精简、高效。

这里大致介绍一下：
（1）FSBL首先执行ps7_inti()，这个函数是根据Vivado在导出硬件描述文件（hdf文件实际是一个zip压缩包文件，解压后可看到内部的文件）生成的，ps7_init.c/ps7_init.h初始化DDR、MIO和SLCR寄存器；
（2）DDR读写测试，在0地址和1MB的位置，写入0xAA55AA55，然后读出比较；确认前1MB的内存存在；
（3）初始化PL配置接口，获取PCAP控制器的设置，检查是否使用了Secure-Boot加密；
（4）获取启动模式（通过读启动模式引脚电平），支持QSPI/EMMC、NAND、NOR、SD卡和JTAG启动模式；
（5）将启动镜像拷贝到DDR中，并返回镜像的起始地址，LoadBootImage方法会解析存储器中的Image Header Table以获取所有镜像的位置和信息，并且完成Secure-boot/Multiboot、加载bit配置到PL等任务，是FSBL的核心内容。
（6）跳转到第二阶代码继续执行，fsbl_handoff是通过汇编代码完成的，关闭ICache、DCache和MMU，并跳转到程序起始地址。
至此，FSBL完成。

Nand Flash的烧写原理

SDK完成Nand Flash的烧写实际上时通过FSBL完成，首先这一点最开始是我猜的。因为在烧写Nand Flash的时候需要添加Image File和Flash Type以外，还需要指定一个FSBL。这个FSBL就是用来完成Nand Flash烧写的。所以，如果这个FSBL检测到启动模式不是JTAG就会报错。

然后我在Xilinx的官网问答中找到了这个内容，就证实了我的猜想。请参考
AR#56030 14.5 Zynq-7000 SoC AP iMPACT - NAND programming requires the board to be in JTAG mode

制作Jtag启动模式的FSBL

AR#56030中已经说的很清楚了，制作一个特殊的FSBL，通过修改一下代码

    /*
	 * Read bootmode register
	 */
	// BootModeRegister = Xil_In32(BOOT_MODE_REG);
	// BootModeRegister &= BOOT_MODES_MASK;
	BootModeRegister = JTAG_MODE;

然后将生成的elf文件保存好，以后烧写Nand Flash的时候就用这个了。注意这个FSBL文件和生成Boot Image的FSBL不是同一个。如果你对ZYNQ的开发有一定的实际操作的话，就应该知道我在说什么了。

有了这个JTAG启动模式的FSBL就可以不修改启动模式，就烧写Nand Flash了。如果你也遇到了同样的问题，按照这个方法就可以解决了。

如果还有什么问题的话，可以给我留言。

参考资料

[1] ug585-Zynq-7000-TRM.pdf
[2] ug821-zynq-7000-swdev.pdf