第七节，ZYNQ的启动原理和配置

ZYNQ的启动原理和配置

1 启动过程

设备配置包含用于初始化和配置ps和pl的所有方法及过程。在软件控制下，ps内的DevC提供用于初始化和配置ps和pl的手段和方法，在zynq中提供两个模块用于控制配置过程：

1. BootROM，一个静态存储块器块，当上电复位和暖复位后，有Cortex-A9的CPU执行这个内置程序；
2. 设备配置单元：用于控制JTAG调试访问和提供连接到AES、HMAC和PCAP模块的接口，用于实现对芯片内的pl的配置及数据的解密。

在ps的控制下，可以实现安全或非安全的配置所有ps和pl。通过zynq提供的JTAG接口，用户可以在外部主机的控制下对zynq进行配置，zynq不支持最开始就配置pl的过程。对zynq的配置过程至少包含两个阶段，但是通常要求3个阶段。

1. 阶段0：该阶段也称为BootROM，该阶段控制初始设备的启动。BootROM是上电复位或暖复位后，处理器所执行的用户不可修改的代码，该代码已经固化到zynq的BootROM中；
2. 阶段1：在该阶段，通常执行第一级启动引导程序。但是，它也可以是任何用户控制的代码；
3. 在该阶段，通常执行用户自己编写的软件程序，但是，也可以是第二级的启动引导程序，该阶段完全是在用户的控制下实现的。

2 zynq的BootROM

BootROM特性：

1. 提供3种不同的方法，用于配置PS：两个主模式和一个从模式，即安全、加密的镜像、主模式；非安全的主模式；通过JTAG的非安全从模式；
2. 支持4种不同的外部启动源：Quad-SPI Flash、NAND Flash、NOR Flash、SD；
3. 支持使用AES-256和HMAC(SHA-256)的PS安全配置；
4. 支持Soc调试安全性；
5. 从NOR和QSPI芯片内执行配置过程。

当上电复位后，启动PS配置过程，当禁止JTAG模式时，zynq内的Cortex-A9处理器从片内的BootROM开始执行代码，BootROM包含用于驱动NADN、NOR、Quad-SPI、SD和PCAP的基本程序代码。

在BootROM中并不执行对外设的初始化操作，在阶段1或该阶段之后zynq才对其他外设进行初始化操作，考虑到安全因素，当脱离复位状态后，Cortex-A9处理器总是PS内所有其他主设备模块内的第一个设备，当正在执行BootROM时，禁止执行JTAG，以保证安全性操作。

BootROM代码也负责加载第一启动镜像文件，zynq内的硬件支持加载多级用户启动镜像，在第一级启动之后，用户负责进一步实现用户启动镜像的加载，当BootROM将控制权移交给fsbl后，用户负责进一步实现用户启动镜像的加载，当复位操作时，才会重新执行BootROM内的代码。

BootROM支持加密和不加密的镜像，此外，当使用芯片内执行特性时，当从线性flash、NOR或QSP直接复制镜像或执行后，BootROM支持从OCM开始执行阶段1镜像。

在安全启动CPU时，从安全BootROM运行代码，并且，对进入的用户PS镜像镜像解码和认证，将其保存到OCM RAM中，然后，分支进入它，在非安全启动CPU时，从BootROM运行代码，如果使用了XIP特性时，在分支跳转到OCM ROM或Flash内的用户镜像时，禁止所有的安全启动特性，除非使用带有XIP的启动，一般将PS启动镜像限制到192KB范围内。

随后用于PS/PL启动阶段的过程，都是用户的责任，并且处于用户的控制下。在zynq中，不允许用户访问BootROM中的代码，在完成阶段1安全启动的过程后，用户可以继续执行后续的安全/非安全启动阶段，如果一开始执行的就是非安全的第一个阶段，随后只能执行非安全阶段的启动。

通过PL内硬接线的AES-256和SHA-256模块，PS实现解密和认证，由于这个原因，在安全启动任何阶段，即使只对PS进行配置，也必须给PL上电，这样，用户就可以通过片上的eFUSE单元或片上BRAM，选择器件的密钥。

在zynq内支持5种可用的启动设备，包括NAND、NOR、SD、Quad-SPI和JTAG，其中前4种启动源用于主模式启动。

1. 在主模式启动过程中，Cortex-A9处理器负责将镜像文件从外部非易失性存储器加载到片内的PS中。
2. JTAG只能用于从模式启动过程，JTAG只支持非安全启动，一个外部的电脑作为一个主设备，通过JTAG连接，将启动镜像加载到OCM，当加载启动镜像时，PS CPU保持空闲模式。

BootROM的高层次配置流程如图2.1所示。

图2.1 BootROM的高层次配置流程

3 zynq的器件配置接口

设备配置接口结构DevC模块由3个独立操作的主模块构成：

1. 用于连接PL配置逻辑的AXI-PACP接口；
2. 设备安全性管理单元；
3. 一个XDAC接口；

设备配置接口包含一个APB接口，主机使用APB接口配置这3个模块，并且访问整个状态以及实现与PL XADC通信。

AXI-PCAP桥：

AXI-PCAP桥将32位AXI格式的数据转换成32位的PCAP协议，反之亦然，这个桥支持配置数据，以并发和非并发的方式下载和上传，如图3.1所示。

图3.1 AXI-PCAP桥

在AXI和PCAP接口之间存在一个发送和接收FIFO缓冲区，图中的DMA引擎用于在FIFO和存储器设备（OCM、DDR存储器，或者外设存储器的一个）之间移动数据。

当通过PCAP接口移动数据时，必须给zynq的PL一端供电，通过DevC控制器寄存器的PCAP MODE和PCAP PR比特位，使能PCAP接口，如果发送加密数据，还应该设置QUARTER PCAP RATE EN比特位。

通过DevC模块内建的DMA引擎，在PCAP接口之间传输数据。为了启动一个数据传输过程，必须按照下面的顺序写4个DMA寄存器：DMA源地址寄存器；DMA目的地址寄存器；DMA源长度寄存器；DMA目的长度寄存器。

为了通过PCAP将数据传输到PL，目的地址应该设置为0xffffffff。类似的，通过PCAP接口从PL读数据，源地址应该设置为0xffffffff，必须通过PCAP接口发送加密的PS镜像，这是由于AES和HMAC引擎都驻留在PL一端。在该情况下，DMA源地址应该设置为一个外部的存储器接口，而目标地址应该设置为OCM。

DevC的DMA引擎能用于加载不安全的PS镜像，在加载以前，在杂项控制寄存器内设置PCAP LPBK比特位，这个比特位使能内部的环路，旁路掉PCAP接口，在使用PCAP前，需要再次禁止该比特位，DMA源地址应该设置为一个外部存储器，而目的地址应该设置为一个OCM或一个有效的外部存储器接口，如DDR。

PCAP接口也用来回读PL配置。为了执行回读操作，PS必须运行软件代码，使能产生正确的PL回读指令，使用两个DMA访问周期，回读一个PL配置。

设备安全性管理：

DevC包含着一个安全策略模块，提供如下功能：

1. 监控系统安全性，当检测到冲突的状态时，能确认一个安全复位，这个状态能表示不一致的系统配置或篡改；
2. 通过APB接口控制和监视PL配置逻辑；
3. 控制ARM CoreSight的调试器访问端口DAP和调试级；
4. 提供片上ROM控制。

XADC接口：

1. 读和写XADC寄存器；
2. 15个深度的写命令FIFO和15个深度的读FIFO（32位宽度）；
3. 可编程的FIFO级中断；
4. 报警中断；
5. 过温度中断；

3.1 PS主设备非安全启动

在这个启动模式下，PS作为主设备。BootROM从选择的外部存储器加载一个纯文本PS镜像，如图3.2所示，在这种情况下，并不要求PL上电，可以使用PS镜像立即加载或以后加载PL比特流。

图3.2 PS主非安全启动流程

配置流程主要步骤如下：

1. 设备上电复位；
2. BootROM执行：1，读自举程序，以确定外部存储器接口类型；2，读启动头部信息，以确定加密的状态和镜像目标；
3. BootROM使用DevC的DMA，将FSBL加载到OCM或其他有效的目的地址；
4. 关闭BootROM，释放CPU用于控制FSBL；
5. 通过PCAP，FSBL加载PL比特流。

3.2 PS主设备安全启动

在该启动模式下，PS作为主设备，BootROM从所选择的外部存储器加载一个加密的PS镜像，如图3.3所示，由于AES和HMAC引擎驻留在PL中，因此要求PL上电来初始化启动序列，在尝试解密FSBL前，BootROM验证PL已经上电，当启动PS后，可以使用一个加密的比特流配置，或者断电以后再配置PL。

图3.3 PS主安全启动图

下面给出了配置流程的详细步骤：

1. 设备上电复位；
2. BootROM执行：1，读自举程序，以确定外部存储器接口；2，读启动头部，以确定加密的状态（安全）；3，确认PL上电，开始解密FSBL；
3. BootROM使用DevC DMA引擎，通过PCAP，将加密的FSBL发送的PL内的AES和HMAC；
4. PL使用PCAP将解密的FSBL返回到PS，然后，在此将其加载到片内OCM；
5. 关闭BootROM，释放CPU用于控制FSBL；
6. FSBL使用一个加密流配置PL。