Xilinx ZYNQ FSBL解读：启动流程详解

jz_ddk

已于 2025-03-07 07:18:49 修改

阅读量892

点赞数 6

分类专栏： Xilinx Zynq FSBL 解读文章标签： c语言 rtdbs stm32 arm开发 fpga开发驱动开发

于 2025-03-07 07:18:13 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jz_ddk/article/details/146082731

版权

Xilinx Zynq FSBL 解读专栏收录该内容

6 篇文章

订阅专栏

篇首

最近突发奇想，Xilinx 的集成开发环境已经很好了，很多必要的代码都直接生成了，这给开发者带来了巨大便利的同时，也让人错过了很多代码的精彩，可能有很多人用了很多年了，都还无法清楚的理解其中过程。博主准备以FSBL为例，与大家深入探讨一番，从而加深对ZYNQ的加载过程的理解，以便大家作出更精彩的设计！

Zynq 7000启动流程详解

Zynq 7000的启动流程是一个多阶段协作过程，从硬件上电到操作系统运行，涉及BootROM、FSBL、SSBL（如U-Boot）和最终应用。以下是各阶段的核心逻辑与关键操作：

一、BootROM阶段：硬件初始化的起点

触发条件
- Zynq芯片上电或复位后，BootROM（固化在芯片内部的只读代码）自动执行。
关键操作
- 硬件初始化：
  - 配置PS（处理器系统）基础时钟、MIO引脚、安全模块（如AES和SHA引擎）。
- 启动模式检测：
  - 根据MIO引脚电平（Boot Mode Pins）确定启动设备（QSPI、SD卡、NAND等）。
  - 支持的启动模式通过SLCR.BOOT_MODE寄存器配置。
- 加载FSBL：
  - 从选定的启动设备读取FSBL镜像到OCM（On-Chip Memory，默认地址0x0）。
  - 校验FSBL头部（验证签名，若启用安全启动）。
- 权限移交：
  - 跳转到FSBL的入口地址（通常为0x0），结束BootROM阶段。

二、FSBL阶段：系统启动的核心枢纽

硬件初始化（ps7_init()）
- DDR配置：
  - 初始化DDR控制器，设置时序参数（ps7_ddr_init()），确保后续镜像可加载到外部内存。
- 时钟树配置：
  - 配置PLL生成CPU、外设、PL时钟（ps7_clock_init()）。
- 外设初始化：
  - 使能UART、QSPI、SD控制器等（ps7_peripherals_init()），支持调试与镜像加载。
异常处理注册
- 绑定异常向量表：
  - 通过Xil_ExceptionRegisterHandler()注册数据中止、未定义指令等异常处理函数。
- 调试支持：
  - 若启用FSBL_DEBUG_INFO，初始化UART输出启动日志。
镜像加载与处理
- 解析BOOT.BIN：
  - 读取镜像头（ImageHeader），识别分区类型（FSBL、SSBL、PL比特流、设备树等）。
  - 示例镜像结构：
```
BOOT.BIN  
├── FSBL（自身镜像，已由BootROM加载）  
├── PL比特流（.bit文件）  
└── SSBL（如U-Boot）  
```
    如果是裸机运行，或者是freeRTOS等轻量级系统，不需要使用U-Boot，则SSBL直接用SDK编译的APP镜像替换。
- 安全处理：
  - 若镜像加密，调用AES引擎解密（使用eFUSE或BBRAM中的密钥）。
  - 若启用认证，验证RSA签名或HMAC哈希。
PL配置（可选）
- PCAP接口传输：
  - 通过PS的PCAP（Processor Configuration Access Port）将比特流写入PL。
  - 检查PL配置状态寄存器（DEVICE_STATUS），确认配置完成。
移交控制权
- 跳转到SSBL：
  - 关闭FSBL使用的外设（如QSPI控制器），禁用缓存和MMU。
  - 将SSBL（如U-Boot）的入口地址强制转换为函数指针并执行跳转：
```
void (*SSBL_Entry)(void) = (void (*)(void))0x100000; // U-Boot默认加载地址  
SSBL_Entry();  
```

三、SSBL阶段：操作系统加载的桥梁

U-Boot的核心任务
- 环境变量初始化：
  - 从Flash或环境分区读取uEnv.txt，设置启动参数（内核地址、设备树路径等）。
- 加载操作系统镜像：
  - 从存储设备读取Linux内核（uImage或Image）、设备树（.dtb）、根文件系统（rootfs）到DDR。
- 启动内核：
  - 调用bootm命令，传递内核入口地址、设备树地址等参数，跳转到内核执行。
PL重配置（动态可选项）
- U-Boot支持通过fpga load命令在运行时重新配置PL，实现硬件动态切换。

四、操作系统阶段：最终用户环境

Linux内核初始化
- 硬件探测：
  - 初始化CPU、内存、中断控制器（GIC）、外设驱动（如以太网、USB）。
- 挂载根文件系统：
  - 从eMMC、SD卡或网络（NFS）加载rootfs，切换至用户空间。
用户应用启动
- 执行/sbin/init或用户指定程序，启动完整系统服务。

五、启动流程中的关键注意点

镜像格式与兼容性
- BOOT.BIN必须包含Xilinx格式的镜像头，否则BootROM无法识别。
- PL比特流需为Zynq 7000专用的.bit文件，包含头部同步字（0xAA995566）。
调试与错误排查
- BootROM阶段失败：检查启动模式引脚、Flash连接、镜像签名。
- FSBL阶段卡死：通过UART日志定位DDR初始化或PL配置错误。
- SSBL无法加载内核：检查U-Boot环境变量与文件系统路径。
安全启动流程
- 密钥烧录：将公钥哈希写入eFUSE，防止未签名镜像执行。
- 安全隔离：启用TrustZone，隔离安全与非安全世界代码。

六、流程图解

上电 → BootROM → 加载FSBL → FSBL初始化 → 加载SSBL/PL → 跳转至U-Boot → 加载内核 → 启动系统

通过深入理解Zynq 7000的启动链条，开发者可精准优化启动速度、增强系统可靠性，并实现定制化安全策略。