【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第十九章 Hello World(下)

原創聲明：

本原創教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權并注明出處。

適用于板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

此文基于第十八章內容進行軟件開發

【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第十八章Hello World(上)

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軟件工程師工作內容

Vitis工程目錄為“ps_hello/vitis”

以下為軟件工程師負責內容。

1.Vitis調試；

2.創建Application工程；

1）新建一個文件夾，將vivado導出的xx.xsa文件拷貝進來；

2）Vitis是獨立的軟件，可以雙擊Vitis軟件打開；

也可以通過在Vivado軟件中選擇ToolsLaunch Vitis打開Vitis軟件

選擇之前新建的文件夾，點擊”Launch”

3）啟動Vitis之后界面如下，點擊“Create Application Project”，這個選項會生成APP工程以及Platfrom工程，Platform工程類似于以前版本的hardware platform，包含了硬件支持的相關文件以及BSP。

4）第一頁為介紹頁，直接跳過，點擊Next

5）選擇“Create a new platform from hardware(XSA)”，選擇“Browse”

選擇之前生成的xsa，點擊打開

6）最下面的Generate boot components選項，如果勾選上，軟件會自動生成fsbl工程，我們一般選擇默認勾選上。

7）填入APP工程名稱，在方框處點擊可以選擇對應的處理器，我們這里保持默認

8）在這個界面可以修改Domain名稱，選擇操作系統，ARM架構等，這里保持默認，操作系統選擇standalone，也就是裸機。

9）選擇”Hellow World”模板，點擊“Finish”完成

10）完成之后可以看到生成了兩個工程，一個是硬件平臺工程，即之前所說的Platfrom工程，一個是APP工程

11）展開Platform工程后可以看到里面包含有BSP工程，以及zynq_fsbl工程（此工程即選擇Generate boot components之后的結果）,雙擊platform.spr即可看到Platform對應生成的BSP工程，可以在這里對BSP進行配置。軟件開發人員比較清楚，BSP也就是Board Support Package板級支持包的意思，里面包含了開發所需要的驅動文件，用于應用程序開發?？梢钥吹絇latform下有多個BSP，這是跟以往的SDK軟件不一樣的，其中zynqmp_fsbl即是fsbl的BSP，domain_psu_cortexa53_0即是APP工程的BSP。也可以在Platform里添加BSP，在以后的例程中再講。

12）點開BSP，即可看到工程帶有的外設驅動，其中Documentation是xilinx提供的驅動的說明文檔，Import Examples是xilinx提供的example工程，加快學習。

13）選中APP工程，右鍵Build Project，或者點擊菜單欄的“錘子”按鍵，進行工程編譯

14）可以在Console看到編譯過程

編譯結束，生成elf文件

15）連接JTAG線到開發板、UART的USB線到PC

16）使用PuTTY軟件做為串口終端調試工具，PuTTY是一個免安裝的小軟件

17）選擇Serial，Serial line填寫COM3，Speed填寫115200，COM3串口號根據設備管理器里顯示的填寫，點擊“Open”

18）在上電之前最好將開發板的啟動模式設置到JTAG模式，拔到”ON”的位置

19）給開發板上電，準備運行程序，開發板出廠時帶有程序，這里可以把運行模式選擇JTAG模式，然后重新上電。選擇“hello”，右鍵，可以看到很多選項，本實驗要用到這里的“Run as”，就是把程序運行起來，“Run as”里又有很對選項，選擇第一個“Launch on Hardware(Single Application Debug)”，使用系統調試，直接運行程序。

20）這個時候觀察串口軟件，即可以看到輸出”Hello World”

21）為了保證系統的可靠調試，最好是右鍵“Run As -> Run Configuration...”

22）我們可以看一下里面的配置，其中Reset entire system是默認選中的，這是跟以前的SDK軟件不同的。如果系統中還有PL設計，還必須選擇“Program FPGA”。

23）除了“Run As”，還可以“Debug As”，這樣可以設置斷點，單步運行

24）進入Debug模式

25）和其他C語言開發IDE一樣，可以逐步運行、設置斷點等

26）右上角可以切換IDE模式

3. 固化程序

普通的FPGA一般是可以從flash啟動，或者被動加載，ZYNQ的啟動是由ARM主導的，包括FPGA程序的加載，ZYNQ MPSoC啟動一般為三個步驟，在UG1085中也有介紹：

Pre-configuration satge :預加載階段由PMU控制，執行PMU ROM中的代碼設置系統。PMU處理所有的復位和喚醒過程。

Configuration stage : 接下來進入最重要的一步，當BootRom（CSU ROM代碼的一部分）搬運FSBL到OCM后，處理器開始執行FSBL代碼，FSBL主要有以下幾個作用：

• 初始化PS端配置，MIO，PLL，DDR，QSPI，SD等

• 如果有PL端程序，加載PL端bitstream

• 搬運用戶程序到DDR，并跳轉執行

Post-configuration stage : FSBL開始執行后，CSU ROM代碼進入post-configuration階段，負責起系統干預響應，CSU為驗證文件正確性、通過PCAP加載PL、存儲管理安全密鑰、解密等提供持續的硬件支持。

3.1 生成FSBL

FSBL是一個二級引導程序，完成MIO的分配、時鐘、PLL、DDR控制器初始化、SD、QSPI控制器初始化，通過啟動模式查找bitstream配置FPGA，然后搜索用戶程序加載到DDR，最后交接給應用程序執行。

1) 由于在新建時選擇了Generate boot components選項，所以Platform已經導入了fsbl的工程，并生成了相應的elf文件。

2) 修改調試宏定義FSBL_DEBUG_INFO_VAL，可以在啟動輸出FSBL的一些狀態信息，有利于調試，但是會導致啟動時間變長。保存文件?？梢钥匆幌耭sbl里包含了很多外設的文件，包括psu_init.c，qspi，sd等，大家可以再仔細讀讀代碼。當然這個fsbl模板也是可以修改的，至于怎么修改根據自己的需求來做。

3) 重新Build Project

4) 接下來我們可以點擊APP工程的system，右鍵選擇Build project

5) 這個時候就會多出一個Debug文件夾，生成了對應的BOOT.BIN

6) 還有一種方法就是，點擊APP工程的system右鍵選擇Creat Boot Image，彈出的窗口中可以看到生成的BIF文件路徑，BIF文件是生成BOOT文件的配置文件，還有生成的BOOT.bin文件路徑，BOOT.bin文件是我們需要的啟動文件，可以放到SD卡啟動，也可以燒寫到QSPI Flash。

7) 在Boot image partitions列表中有要合成的文件，第一個文件一定是bootloader文件，就是上面生成的fsbl.elf文件，第二個文件是FPGA配置文件bitstream，在本實驗中由于沒有FPGA的bitstream，不需要添加，第三個是應用程序，在本實驗中為hello.elf，由于沒有bitstream，在本實驗中只添加bootloader和應用程序。點擊Create Image生成。

8) 在生成的目錄下可以找到BOOT.bin文件

3.2 SD卡啟動測試

1) 格式化SD卡，只能格式化為FAT32格式，其他格式無法啟動

2) 放入BOOT.bin文件，放在根目錄

3) SD卡插入開發板的SD卡插槽

4) 啟動模式調整為SD卡啟動

5) 打開串口軟件，上電啟動，即可看到打印信息，紅色框為FSBL啟動信息，黃色箭頭部分為執行的應用程序helloworld

3.3 QSPI啟動測試

1) 在Vitis菜單Xilinx -> Program Flash

2) Hardware Platform選擇最新的，Image FIle文件選擇要燒寫的BOOT.bin，FSBL file選擇fsbl.elf。選擇Verify after flash，在燒寫完成后校驗flash。

3) 點擊Program等待燒寫完成

4) 設置啟動模式為QSPI，再次啟動，可以在串口軟件里看到與SD同樣的啟動效果。

3.4 Vivado下燒寫QSPI

1) 在HARDWARE MANGER下選擇器件，右鍵Add Configuration Memory Device

2) 選擇嘗試Micron，類型選擇qspi，寬度選擇x4-single，Density選擇256，這時候出現wt25qu256，選擇紅框型號。

3) 右鍵選擇編程文件

4) 選擇要燒寫的文件和fsbl文件，就可以燒寫了，如果燒寫時不是JTAG啟動模式，軟件會給出一個警告，所以建議燒寫QSPI的時候設置到JTAG啟動模式

3.5 使用批處理文件快速燒寫QSPI

1) 新建一個program_qspi.txt文本文件，擴展名改為bat,內容填寫如下，

E:\XilinxVitis\Vitis\2020.1\bin\program_flash 為我們工具路徑，按照安裝路徑適當修改，-f 為要燒寫的文件，-fsbl為要燒寫使用的fsbl文件，-verify為校驗選項。

2) 把要燒錄的BOOT.bin、fsbl、bat文件放在一起

3) 插上JTAG線后上電，雙擊bat文件即可燒寫flash。

4. 常見問題

4.1 僅有PL端邏輯的固化

有很多人會問，如果只有PL端的邏輯，不需要PS端該怎么固化程序呢？不帶ARM的FPGA固化是沒問題的，但是對于ZYNQ來說，必須要有PS端的配合才能固化程序。那么對于前面的”PL的“Hello World”LED實驗”該怎么固化程序呢？

1) 根據本章的PS端添加ZYNQ核并配置，最簡單的方法就是在本章工程的基礎上添加LED實驗的verilog源文件，并進行例化，組成一個系統，并需要生成bitstream。

2) 生成bitstream之后，導出硬件，選擇include bitstream

3) 在生成BOOT.BIN時，還是需要一個app工程hello，僅僅是為了生成BOOT.BIN，默認情況下在system右鍵Build Project，即可生成包含bitstream的BOOT.BIN。

打開Create Boot Image界面可以看到，Boot Image Partitions的文件順序是fsbl、bitstream、app，注意順序不要顛倒，利用這樣生成的BOOT.BIN就可以按照前面的啟動方式測試啟動了

在course_s2文件夾，我們提供了一個名為led_qspi_sd的工程，大家可以參考。

5. 使用技巧分享

在頻繁的修改源文件，并進行編譯的時候，最好選擇APP工程進行Build Project，這種情況下只會生成elf文件。

如果想生成BOOT.BIN文件，可以選擇system進行編譯，這種情況既會生成elf也會生成BOOT.BIN，筆者最開始用的時候就吃過虧，每次編譯都是選擇system，結果每次都要等待生成BOOT.BIN，浪費時間，大家可以注意一下。

6. 本章小結

本章從FPGA工程師和軟件工程師兩者角度出發，介紹了ZYNQ開發的經典流程，FPGA工程師的主要工作是搭建好硬件平臺，提供硬件描述文件hdf給軟件工程師，軟件工程師在此基礎上開發應用程序。本章是一個簡單的例子介紹了FPGA和軟件工程師協同工作，后續還會牽涉到PS與PL之間的聯合調試，較為復雜，也是ZYNQ開發的核心部分。

同時也介紹了FSBL，啟動文件的制作，SD卡啟動方式，QSPI下載及啟動方式，Vivado下載BOOT.BIN方式，本章沒有FPGA加載文件，后面的應用中會再介紹添加FPGA加載文件制作BOOT.BIN。

后續的工程都會以本章節的配置為準，后面不再介紹ZYNQ的基本配置。

千里之行，始于足下，相信經過本章的學習，大家對ZYNQ開發有了基本概念，高樓穩不穩，要看地基打的牢不牢，雖然本章較為簡單，但也有很多知識點待諸位慢慢消化。加油?。?！