东莞多语言网站建设,微网站开发微网站建设,一个好网站建设,潍坊市城乡建设局网站第七章程序固化实验
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在前面的几个实验中我们都是通过JTAG接口将FPGA配置文件和应用程序下载到MPSOC器件中。接下来我们将尝试把程序存储在非易失性存储器中在上电或者复位时让程序自动运行这个过程需要启动引导程序Boot Loader的参与。Boot Loader会加载FPGA配置文件以及运行在ARM中的软件应用。 本章包括以下几个部分 77.1简介 7.2实验任务 7.3硬件设计 7.4软件设计 7.5下载验证
7.1简介
MPSOC的系统启动过程由平台管理单元(PMU)和配置安全单元(CSU)管理和执行。启动过程包括三个功能阶段预配置阶段、配置阶段和后配置阶段。 预配置阶段由平台管理单元控制。平台管理单元运行PMU ROM代码以设置系统。PMU处理所有复位和唤醒过程。 在配置阶段BootROM(CSU ROM代码的一部分)解释引导头以配置系统并在安全或非安全引导模式下将处理系统(PS)的第一阶段引导加载程序(FSBL)代码加载到片上RAM(OCM)中。引导头定义了许多引导参数包括安全模式和执行FSBL的处理器MPCore。在引导期间CSU还将PMU用户固件(PMU FW)加载到PMU RAM中以与PMU ROM一起提供平台管理服务。对于基于Xilinx的FSBL和系统软件PMU FW必须存在于大多数系统中。 FSBL执行开始后CSU ROM代码进入后配置阶段该阶段负责系统干预响应。CSU硬件提供持续的硬件支持以验证文件通过PCAP配置PL存储和管理安全密钥解密文件。 启动流程(Boot Flow) PMU执行许多强制性和可选的安全操作包括 1、可选功能将低功耗域(LPD)寄存器归零。当LPD_SC eFUSEs编程时PMU将LPD中所有寄存器归零。 2、可选功能将全功率域(FPD)寄存器归零。当FPD_SC eFUSEs编程时PMU将FPD中所有寄存器归零。 3、将PMU RAM归零PMU RAM中写零并读回以确认写成功。 4、将PMU处理器的TLB内存归零。 5、电压检查PMU检查LPD、AUX和专用IO的电源电压以确认电压在规格范围内。 6、将内存归零PMU将位于LPD、FPD和CSU中的内存归零。 一旦这些安全操作完成PMU通过SHA-3/384引擎发送CSU不可变ROM代码并将计算出的加密校验和与存储在设备中的黄金拷贝(golden copy)进行比较如果校验和匹配则验证CSU ROM完整性并释放对CSU的复位。 PMU负责处理主要的预引导任务和PS的管理以确保系统资源的可靠通电断电。启动PMU的上电复位(POR)操作直接或间接的释放了预期上电模块的复位。在这种情况下PMU需要ROM代码来保持初始化上电顺序。即使在启动过程之后PMU仍在运行并且负责处理各种系统复位。在更改系统电源状态时也会使用它(例如上电、睡眠和唤醒)。 在初始化启动期间POR将PMU从复位中释放然后执行PMU ROM。下面描述了PMU处理器在POR复位后通过运行PMU ROM预启动代码完成的操作序列 1、初始化PS SYSMON和引导单元所需的PLL。 2、清除PMU RAM和CSU RAM(仅外部POR)。 3、验证PLL锁。 4、通过PS SYSMON单元验证LPD、AUX和IO电源范围。 5、清除低功耗和全功耗域。 6、如果前面的步骤没有错PMU将释放CSU复位并进入PMU服务模式。如果有错将产生一个启动错误标志。 当CSU 复位被释放CSU将按照下面序列运行 1、初始化OCM。 2、通过读取引导模式寄存器来确定启动模式。 3、CSU继续在OCM中加载FSBL以供RPU或APU执行。然后CSU将PMU用户固件加载到PMU RAM中以供PMU固件执行。 启动模式(Boot Modes) BootROM可以通过Quad-SPISDeMMCUSB2.0控制器0或NAND等外部设备启动系统。 MPSOC使用多个模式引脚来决定配置器件的类型软件的存储位置以及其他的系统设置这些引脚共享PS端的MIO引脚。总共有7个模式引脚分别为MIO[8:2]。其中前四个引脚定义启动模式第五个引脚定义是否使用PLL第六个和第七个引脚定义上电过程中MIO bank0和bank1的bank电压。如下图所示
图 7.1.1 启动模式引脚 整个系统的启动过程如下图所示
图 7.1.2 MPSOC系统启动过程 7.2实验任务 本章的实验任务是在“AXI GPIO按键控制LED实验”的基础上创建FSBL实现程序上电自启动包括从SD卡启动QSPI Flash和eMMC启动三种方式。 7.3硬件设计 本次实验在“AXI GPIO按键控制LED实验”的基础上进行。打开《AXI GPIO按键控制LED》实验的Vivado工程另存为本次实验工程工程名为axi_gpio_fsbl具体过程参考前面的实验。 接下来对系统的硬件设计进行修改。在Vivado界面左侧选择Open Block Design然后在右侧的Diagram界面中双击Zynq UltraScale MPSOC模块修改其配置。 首先使能QSPI外设。在左侧的导航栏中选择I/O Configuration在打开的右侧页面中依次展开Low Speed Memory Interfaces然后勾选QSPI并在后面的下拉菜单中选择SingleQSPI Data Mode选择x4QSPI IO默认为MIO0…5勾选Feedback Clk并选择MIO6如下图所示。
图 7.3.1 使能QSPI Flash控制器 然后打开SD卡外设。在上一步的页面中展开SD外设勾选SD1在后面的菜单栏中选择MIO46…51Slot Type选择SD2.0Data Transfer Mode选择4Bit勾选CD用于检测SD卡插入并选择MIO45如下图所示
图 7.3.2 使能SD卡控制器 最后打开eMMC外设。在同样的页面中勾选SD0并选择MIO13…22Slot Type设置成eMMCData Transfer Mode选择8bit勾选Reset并选择MIO23如下图所示
图7.3.3 使能eMMC控制器 上面两幅图中具体每个外设所连接的MIO引脚可以通过查看开发板原理图得知设置完成后点击“OK”。然后在Diagram窗口空白处右击然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl S”保存设计。 接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“design_1.bd”执行“Generate Output Products”。最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG点击该选项中的“Generate Bitstream”对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。 在菜单栏中选择 File Export Export hardware导出硬件并在弹出的对话框中勾选“Include bitstream”。 新建vitis文件夹将生成的xsa文件放入其中。 然后在菜单栏选择Tools Launch Vitis启动Vitis开发环境。在弹出的对话框中将路径指定到新建的vitis文件夹下点击Launch启动Vitis。 到这里我们的硬件设计部分已经结束接下来的软件设计部分需要在Vitis软件中进行。
7.4软件设计 新建工程。参考前面实验的步骤新建一个名为axi_gpio_fsbl的应用工程如下图所示
图 7.4.1 新建应用工程 新建源文件。在axi_gpio_fsbl/src目录上右击新建一个名为main.c的源文件然后把《AXI GPIO按键控制LED》实验中main.c的代码拷贝到本实验的main.c中如图7.4.2所示按“CtrlS”保存然后编译工程。
图7.4.2 将代码拷贝到main.c中 创建启动镜像。选中应用工程右键选择Create Boot Image如图7.4.3所示。接下来在弹出的界面中添加生成boot.bin所需的文件然后点击“Create Image”如图7.4.4所示。 图7.4.3 选择Create Boot Image
图7.4.4 添加文件生成Boot.bin 从上图中可以看到软件已经给我们自动添加所需的文件。首先是Bootloader启动文件也就是序号4处的fsbl.elf。其次是FPGA的配置文件design_1_wrapper.bit在上图中序号5处。最后是应用程序axi_gpio_fsbl.elf文件上图中序号6处。注意这三个文件的顺序不能错。 图7.4.4中序号2处的bif文件是生成BOOT的配置文件序号3处的BOOT.bin就是我们需要的启动文件可以烧录到QSPI Flash或eMMC中也可以放到SD中来启动ZYNQ MOPSOC。 创建完成后在指定的路径下可以看到生成的两个文件如下图所示
图7.4.5 生成的BOOT.bin文件 到这里我们创建启动镜像文件的过程就结束了。 7.5下载验证 我们首先来验证如何从SD卡中启动程序。将Micro SD卡插入读卡器然后在电脑上将其格式化为FAT32格式如下图所示
图 7.5.1 格式化SD卡 然后将生成的BOOT.bin文件拷贝到SD卡根目录下最后将SD卡从读卡器中取出并插入开发板背面的Micro SD卡的卡槽中。 接下来将开发板上的启动模式开关设置为ON _OFF_ON_OFF即设置为从SD卡启动也就是开发板上丝印标注的0101 SD1。不同的启动方式与四个拨码开关的状态对应关系如下图所示其中0代表ON1代表OFF。
图 7.5.2 启动模式设置 最后连接开发板的电源线给开发板上电。 上电后开发板上PL配置完成的绿色指示灯点亮。然后每次按下PL_KEY1可以改变PS_LED1灯的显示状态说明程序能够实现从SD卡中自启动。开发板实物如下图所示
图 7.5.3 SD卡启动 SD卡启动验证完成后拔下Micro SD卡。接下来我们来介绍如何将程序固化到QSPI Flash中。 将程序固化到QSPI Flash需要使用JTAG下载器。首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接下载器另外一端与电脑连接。接下来将开发板上的启动模式开关设置为ON_ON_ON_ON即设置为JTAG模式也就是开发板上丝印标注的0000 JTAG。最后连接开发板的电源给开发板上电。 在Vitis软件的菜单栏中点击“Xilinx-Program Flash”如下图所示
图 7.5.4 打开Program Flash 在弹出的对话框中指定前面所生成的镜像文件BOOT.bin以及FSBL.elf文件如下图中1和2处所示。Flash Type选择qspi-x4-single并勾选Verify after flash如下图中3和4处所示。
图 7.5.5 Program Flash 界面 在图 7.5.5中点击“Program”开始对Flash进行编程这个过程需要花费一段时间。 FLASH编程结束后控制台提示信息如下图所示
图 7.5.6 QSPI Flash下载成功 接下来断开开发板电源然后将开发板上的启动模式开关设置为ON_ON_OFF_ON即设置为32bit QSPI Flash启动也就是开发板上丝印标注的0010 SPI_32然后再次连接电源。 连接电源后开发板上PL配置完成的指示灯点亮。然后每次按下开发板上PL_KEY0可以改变PS_LED1的显示状态说明程序能够实现从QSPI Flash中自启动。实物图如下所示
图 7.5.7 QSPI Flash启动 最后我们来介绍如何将程序固化到eMMC中。 将程序固化到eMMC需要使用JTAG下载器。首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接下载器另外一端与电脑连接。接下来将开发板上的启动模式开关设置为ON_ON_ON_ON也就是开发板上丝印标注的0000 JTAG即设置为JTAG模式。最后连接开发板的电源给开发板上电。 在Vitis软件的菜单栏中点击“Xilinx-Program Flash”这一步和固化到Flash是一样的。 在弹出的对话框中指定前面所生成的镜像文件BOOT.bin以及FSBL.elf文件。Flash Type选择emmc并勾选Verify after flash然后点击Program如下图所示。
图7.5.8 编程eMMC界面 eMMC编程结束后控制台提示信息如下图所示
图7.5.9 eMMC下载成功 接下来断开开发板电源然后将开发板上的启动模式开关设置为ON_OFF_OFF_ON即设置为eMMC启动也就是开发板上丝印标注的0110 eMMC然后再次连接电源。 连接电源后开发板上PL配置完成的指示灯点亮。然后每次按下开发板上PL_KEY0可以改变PS_LED1的显示状态说明程序能够实现从eMMC中自启动。实物图如下所示
图7.5.10 eMMC启动
