米联客 ZYNQ/SOC精品教程 S01-CH05 FPGA程序的固化和下载

软件版本：VIVADO2017.4

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板

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5.1概述

在前面一节做了流水灯实验，但是对于FPGA bit程序断电后就丢失了，所以本课讲解把上一课的流水灯程序可以实现固化到FLASH或者SD卡的方法。

5.2什么是固化

前面章节内容，都是通过JTAG先下载bit流文件，再下载elf文件，最后点击Run As来运行程序。JTAG的方法是通过TCL脚本来初始化PS，然后用JTAG收发信息，用于在线调试。但是这样只要一断电，程序就会丢失，掉电不保存。

如果需要板卡中程序掉电不消失，则需要对程序进行固化。ZYNQ7000 SOC 芯片可以从 FLASH 启动，也可以从 SD 卡启动。本章详细介绍如何制作镜像文件，以及SD和FLASH的固化方法。

SD固化：将镜像文件拷贝到SD卡，设置拨码开关，使系统从SD模式启动。那么每次断电重启后，系统都会从SD启动。

QSPI FLASH 固化：设置拨码开关，将镜像文件烧写进FLASH，使系统从QSPI-FLASH模式启动。那么每次断电重启后，系统都会从FLASH启动。

5.3固化的流程

5.4固化准备

如果我们要固化一个ZYNQ的程序，以及为这个程序做一个镜像文件，那么该如何做呢？

首先，想到的两个文件就是PL部分需要的bit文件，以及PS需要的elf文件。但是仅有这两个文件不够的。我们还需要一段代码把bit文件以及elf文件安置好。这段代码就是大名鼎鼎的FSBL.elf。

因此要制作一个镜像文件需要三个文件：

1、FSBL.elf

2、.bit

3、.elf。

最后得到一个等式就是：BOOT.bin = FSBL.elf+该工程.bit+该工程.elf。在工程编译后，会产生该工程的bit文件和elf文件。关键是这个FSBL.elf怎么生成？不用担心，FSBL.elf文件xilinx早就为我们准备好了。我们可以利用SDK生成它。在此之前，我们先简单了解一下zynq的启动的过程。

5.5 zynq的从SD卡的启动的过程

zynq和大多数arm启动过程一样，启动过程也分为3个阶段，这三个阶段分别称之为阶段0、阶段1和阶段2。

阶段 0：即传统的BootROM过程。ZYNQ芯片ROM里面固化了一段不可修改的程序，只要ZYNQ一上电，这段程序就会执行。它将对ZYNQ的NAND、NOR、SD等基本外设控制器进行初始化。把SD卡这类易失的存储器件初始化后，就会把其中的程序拷贝到ZYNQ的OCM（On-chip memory）。这个被拷贝到片上RAM执行的程序就是我们今天要制作的文件——BOOT.bin。

阶段 1：BOOT.bin加载到OCM上开始执行。 BOOT.bin由FSBL.elf+该工程.bit+该工程.elf构成。阶段1要做的就是：首先配置PS部分，PS完成初始化后，会去配置PL部分，最后去加载阶段2的代码。

阶段 2：这一阶段是可选的，主要是为了完成Linux系统启动过程。本次实验暂时不需要。

5.6 zynq启动模式位的选择

这里有个疑问，众所周知ZYNQ具有多种启动方式：NOR, NAND, Quad-SPI, SD Card 以及JTAG 。ZYNQ如何判断到底从哪里启动呢？实际上，当上电后，ZYNQ会根据模式管脚的设定，选用boot的方式。

米联客ZYNQ开发板有两种启动模式，一种是SD启动，另外一种是QSPI  FLASH启动。开发板通过拨码开关对管脚进行设置，改变启动模式。

注意：请将开发板或核心板电源关闭后，对拨码开关操作，否则会对板卡造成损害。

开发板启动模式及拨码开关状态如下所示，默认拨码是SD启动：

核心板模式开关：

表1. 开发板启动模式

 

5.7 BOOT.bin制作过程详解

5.7.1 创建工程

Step1：在前面流水灯实验基础基础上增加Block Design。

Step2：新建一个BD文件。单击 Create Block Design，命名为system 之后单击OK。

 

Step3: 单击下图中添加IP按钮

Step4：搜索单词ZYNQ选择ZYNQ7 Processing System，然后双击

Step5：添加进来了ZYNQ CPU IP

Step6:修改MIO接口配置

修改MIO配置如下，如果不是配套的开发板，读者如何不确定IO设置请阅读原理图查看这部分配置

1、首先修改BANK1的IO电压为1.8V(对应原理图是BANK501)个人感觉XILINX ZYNQ ARM上的BANK分类有点混乱，因为软件里面的BANK1(UG585也是BANK1)是对应原理图中的BANK501,大家不用纠结，反正ARM的IO是固定死的，这些IO又不能当作FPGA的IO自由定义。

1、Qspi FLASH接口

2、配置SDIO 接口，也就是TF卡接口

3、配置串口

Step7：修改时钟

1、对于CPU的时钟，开发板输入33.333333M 所以默认设置

2、DDR时钟也采用默认

3、CPU运行主频设置为默认的667M，对于不同速度等级的CPU， ARM支持的最高频率也不一样，根据情况而定。

4、QSPI 的时钟改到125M，否则可能无法加载FLASH

Step8：修改内存型号

PS内存配置：

开发板内存型号配置：

DDR ConfigurationàMemory PartàMT41K256M16  RE-125或MT41K128M16 JT-125

其中：MIZ701A-MINI的DDR型号：MT41K128M16 JT-125

MZ701A、MZ702A、MZ7XB的DDR型号：MT41K256M16  RE-125。

MZ7XA-mini7010内存型号配置如下： 

MZ7XA-7010、MZ7XA-7020、MZ7XB内存型号配置如下：

Step9：由于用不到GP接口，所以去掉默认的GP接口

Step9:点击OK完成配置。

Step10:点击Run Block  Automation

Step11:搭建好的BD 工程一下就是配置好的ZYNQ IP。

Step12:修改run_led程序，增加 ZYNQ IP接口部分定义实现run_led调用BD 模块

首先，右击BD让软件自动创建一个顶层文件

然后，利用自动产生的system_wrapper.v中对BD 调用的接口代码复制到run_led.v中，这样,run_Led.v就能调用BD文件了。

最后， run_led.v的模块接口，主要修改标点符号

Step13:生成bit文件。

5.7.1 导入SDK

生成bit文件后，需要到处硬件，新建SDK工程，启动ZYNQ 7 Processing System  IP。

Step1: File->Export->Export Hardware，导出硬件。

Step2:勾选Include bitstream 直接单击OK

Step3:File->Launch SDK加载到SDK，单击OK

 

Step4:导出完成后如下图

Step5:选择File->New->Application Project

Step6:工程命名为HelloWorld，然后单击NEXT，选择自带的Helloworld程序做测试，单击Finish。

 

Step7:新建的Helloworld工程。

Step8:新建一个应用工程。

填写工程名FSBL，点击Next，工程类型选择Zynq FSBL。

 

Step9: 选中helloworld工程(要做固化的工程)，然后右单击，选择Creat Boot Image。

Step10：在新窗口中，一共出现三个文件，分别是FSBL.elf、.bit、.elf文件，如图所示。制作镜像文件需要这三个文件。

直接单击Create Image即可完成Boot.bin的创建，此文件可作为SD卡启动文件和SPI启动文件。

完成后，可以看到在helloworld工程(要做固化的工程)的文件夹中出现bootimage文件夹，展开后可以看到生成的BOOT.bin文件。这个BOOT.bin文件用于SD或QSPI固化。

 

5.8 SD-TF卡启动

  将生成的BOOT.bin文件，复制到SD卡，再将SD卡插到开发板，最后打开电源。则开机后系统从SD卡启动，程序掉电不消失。

测试结果：

   测试前，连接串口线，在SDK中打开串口。

开发板通电后，流水灯亮起，串口打印出数据。

注意：放到SD卡的bin文件，文件名必须是BOOT.bin，否则不识别。

5.9 QSPI-FLASH启动 (VIVADO 2017.4）

从VIVADO 2017.3版本开始，Xilinx官方为了使Zynq-7000和Zynq UltraScale +实现流程相同，在QSPI FLASH使用上做了变化，即Zynq-7000编程flash需要“指定的fsbl”。这个fsbl用于初始化系统（主要是运行ps7_init（）函数）。XILINX官网中Xilinx Answer 70548和Xilinx Answer 70148提供了VIVADIO 2017.3版本QSPI FLASH下载方法。

读者需要注意，如果不修改引导用的fsbl，下载uboot.bin到FLASH会失败，以下就是下载FLASH的具体办法。

本教程提供VIVADO 2017.4  QSPI-FLASH下载方法如下：

Step1: 新建环境变量

计算机à属性à高级系统设置à高级à环境变量à新建系统变量

变量名：XIL_CSE_ZYNQ_UBOOT_QSPI_FREQ_HZ

变量值：10000000

Step2: 生成加载QSPI  FLASH的fsbl文件

新建一个新的FSBL文件，命名为zynq_fsbl。FileàNewàApplication Project，输入zynq_fsbl，点击Next。选择Zynq  FSBL，单击Finish。

 

Step3: 打开zynq_fsbl的main.c文件，在此处增加“BootModeRegister = JTAG_MODE; ”保存并编译。

Step4: 模式开关切换到QSPI启动模式（1-ON ,2-OFF），开发板通电。选择Xilinx Tools > Program Flash或单击 Program Flash Memory。

加载刚才生成的BOOT.BIN文件和zynq_fsbl文件，单击Program。

下载过程，需要几分钟时间

Step5:下载过程，输出情况

Step6:下载完成后断电，重新打开电源，就能看到从QSPI FLASH加载。

测试结果：

 测试前，连接串口线，在SDK中打开串口。

开发板通电后，流水灯亮起，串口打印出数据。