Xilinx ZYNQ FSBL解读：BOOT.bin文件结构

jz_ddk

已于 2025-03-08 22:51:25 修改

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

于 2025-03-07 15:41:45 首次发布

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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镜像文件`BOOT.BIN`结构详解

BOOT.BIN是Zynq 7000系列启动的核心镜像文件，由Xilinx工具链（如Vitis或SDK）通过bootgen工具生成。其本质是一个二进制容器，包含多个逻辑分区，每个分区对应不同的功能模块（如FSBL、PL比特流、U-Boot等）。以下是其详细结构和操作方法：

一、`BOOT.BIN`的组成结构

BOOT.BIN由 镜像头（Image Header） 和 多个分区（Partitions） 组成，结构如下：

BOOT.BIN
├── 启动头（BOOT Header）          							// BootROM执行的参数
├── 寄存器初始化区（Register initializetion）          		// BootROM执行时的一些寄存器配置
├── 镜像头表（Image Header table）          					// 描述镜像头信息
├── 分区头表（Image Header table）          					// 描述分区头信息
├── 分区头表（Image Header table）          					// 描述分区头信息
├── 镜像头（Image Header）          							// 描述镜像整体属性
├── 分区1（Partition 1）            							// 通常是FSBL
├── 分区2（Partition 2）            							// PL比特流（可选）
├── 分区3（Partition 3）            							// SSBL（如U-Boot）
└── 其他分区（用户自定义数据）       							// 设备树、配置文件等（可选）

二、镜像头（Image Header）

作用：描述镜像全局属性，包括：
- 加密标志（是否启用AES加密）
- 认证类型（如RSA签名或HMAC）
- 分区表信息（分区的数量、偏移地址、加载地址等）
存储位置：位于BOOT.BIN文件起始位置，长度固定（通常为64字节）。

三、分区的结构与用途

每个分区的组成如下：

分区头（Partition Header）
- 长度：32字节。
- 关键字段：
  - Partition Type：分区类型（如FSBL、Bitstream、SSBL）。
  - Load Address：加载到内存的目标地址。
  - Execution Address：执行入口地址（通常与加载地址相同）。
  - Encryption Key Source：加密密钥来源（如eFUSE或BBRAM）。
  - Authentication Type：认证算法（如RSA-2048）。
分区数据（Partition Data）
- 实际内容（如FSBL代码、PL比特流、U-Boot二进制文件等）。

分区类型与用途

分区类型	用途	典型文件
Bootloader (FSBL)	第一阶段引导程序，初始化硬件并加载后续镜像。	`fsbl.elf`
PL Bitstream	FPGA逻辑配置比特流，用于初始化PL（Programmable Logic）。	`system.bit`
SSBL	第二阶段引导程序（如U-Boot），负责加载操作系统内核。	`u-boot.elf`
Datafile	用户自定义数据（如设备树`devicetree.dtb`、配置文件等）。	任意二进制文件

四、如何区分`BOOT.BIN`中的各个部分？

1. 使用`bootgen`工具解析

通过bootgen工具可逆向解析BOOT.BIN，生成分区信息报告：

bootgen -arch zynq -image boot.bin -dumpbin -dumpdir output

生成的output目录包含：

boot.bin.bif：镜像的BIF（Boot Image Format）配置文件。
各分区的原始二进制文件（如partition_1.bit、partition_2.elf）。

2. 使用`hexdump`查看二进制结构

通过hexdump观察分区头特征：

hexdump -C -n 128 boot.bin

分区头标识：
- FSBL分区：以Xilinx字符串开头（ASCII码58 69 6C 69 6E 78）。
- PL比特流：以同步字0xAA995566开头（Hex值AA 99 55 66）。
- U-Boot分区：ELF文件头（7F 45 4C 46）。

3. 示例解析

Offset       Hex Content          ASCII      说明
0x00000000   58 69 6C 69 6E 78    Xilinx     镜像头标识
0x00000040   01 00 00 00          ....       分区数量=1
0x00000100   7F 45 4C 46          ELF        U-Boot分区（ELF文件）
0x00002000   AA 99 55 66          ..Uf       PL比特流分区

五、构建`BOOT.BIN`的方法

通过编写BIF（Boot Image Format）文件定义镜像内容，再使用bootgen生成BOOT.BIN。

1. BIF文件示例

// bootimage.bif
the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf            // FSBL分区
    system.bit                       // PL比特流分区
    u-boot.elf                       // SSBL分区
    devicetree.dtb                   // 设备树分区
    custom_data.bin                  // 用户自定义数据
}

2. 生成命令

bootgen -arch zynq -image bootimage.bif -o BOOT.BIN -w on

-w on：允许覆盖已有文件。
-arch zynq：指定目标架构为Zynq 7000。

3. 高级配置选项

加密与认证：

[aeskeyfile] key.nky               // 指定AES密钥文件
[authentication] rsa               // 启用RSA签名

加载地址指定：

{ [load=0x10000000] u-boot.elf }   // 强制加载到0x10000000

启动设备配置：

[destination_device=pl] system.bit // 指定PL比特流仅用于PL配置

六、实际应用案例

1. 添加多个PL比特流

在BIF文件中定义多个比特流分区，实现动态重配置：

the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf
    [destination_device=pl] bitstream_1.bit  // 默认配置
    [destination_device=pl] bitstream_2.bit  // 备用配置
    u-boot.elf
}

在U-Boot中通过fpga load命令切换PL配置。

2. 自定义数据分区

将配置文件嵌入BOOT.BIN，供应用程序读取：

the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf
    system.bit
    u-boot.elf
    [offset=0x100000] config.txt     // 指定分区偏移地址
}

在U-Boot中通过fatload或内存映射访问该数据。

七、常见问题与调试

镜像无法启动
- 检查点：
  - 分区顺序是否正确（FSBL必须为第一个分区）。
  - 加载地址是否与内存映射冲突（如DDR未初始化时加载到DDR地址）。
PL配置失败
- 原因：比特流文件损坏或PCAP接口未初始化。
- 调试方法：在FSBL中启用调试输出，检查XFsbl_LoadPLBitstream日志。
认证失败
- 解决步骤：
  - 确认公钥已烧录到eFUSE。
  - 检查BIF文件中是否指定正确的签名文件。