ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA Hello World教程

作者：ALINX

* 本原創(chuàng)教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創(chuàng)作，版權(quán)歸本公司所有，如需轉(zhuǎn)載，需授權(quán)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(nèi)容進(jìn)行軟件開發(fā)

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

軟件工程師工作內(nèi)容

Vitis工程目錄為“ps_hello/vitis”

以下為軟件工程師負(fù)責(zé)內(nèi)容。

1.Vitis調(diào)試；

2.創(chuàng)建Application工程；

1）新建一個文件夾，將vivado導(dǎo)出的xx.xsa文件拷貝進(jìn)來；

2）Vitis是獨(dú)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(diǎn)擊”Launch”

3）啟動Vitis之后界面如下，點(diǎn)擊“Create Application Project”，這個選項(xiàng)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(guān)文件以及BSP。

4）第一頁為介紹頁，直接跳過，點(diǎn)擊Next

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

選擇之前生成的xsa，點(diǎn)擊打開

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

7）填入APP工程名稱，在方框處點(diǎn)擊可以選擇對應(yīng)的處理器，我們這里保持默認(rèn)

8）在這個界面可以修改Domain名稱，選擇操作系統(tǒng)，ARM架構(gòu)等，這里保持默認(rèn)，操作系統(tǒng)選擇standalone，也就是裸機(jī)。

9）選擇”Hellow World”模板，點(diǎn)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(jié)果）,雙擊platform.spr即可看到Platform對應(yīng)生成的BSP工程，可以在這里對BSP進(jìn)行配置。軟件開發(fā)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(fā)所需要的驅(qū)動文件，用于應(yīng)用程序開發(fā)?？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(diǎn)開BSP，即可看到工程帶有的外設(shè)驅(qū)動，其中Documentation是xilinx提供的驅(qū)動的說明文檔，Import Examples是xilinx提供的example工程，加快學(xué)習(xí)。

13）選中APP工程，右鍵Build Project，或者點(diǎn)擊菜單欄的“錘子”按鍵，進(jìn)行工程編譯

14）可以在Console看到編譯過程

編譯結(jié)束，生成elf文件

15）連接JTAG線到開發(fā)板、UART的USB線到PC

16）使用PuTTY軟件做為串口終端調(diào)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(jù)設(shè)備管理器里顯示的填寫，點(diǎn)擊“Open”

18）在上電之前最好將開發(fā)板的啟動模式設(shè)置到JTAG模式，拔到”O(jiān)N”的位置

19）給開發(fā)板上電，準(zhǔn)備運(yùn)行程序，開發(fā)板出廠時帶有程序，這里可以把運(yùn)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(xiàng)，本實(shí)驗(yàn)要用到這里的“Run as”，就是把程序運(yùn)行起來，“Run as”里又有很對選項(xiàng)，選擇第一個“Launch on Hardware(Single Application Debug)”，使用系統(tǒng)調(diào)試，直接運(yùn)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(tǒng)的可靠調(diào)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(rèn)選中的，這是跟以前的SDK軟件不同的。如果系統(tǒng)中還有PL設(shè)計，還必須選擇“Program FPGA”。

23）除了“Run As”，還可以“Debug As”，這樣可以設(shè)置斷點(diǎn)，單步運(yùn)行

24）進(jìn)入Debug模式

25）和其他C語言開發(fā)IDE一樣，可以逐步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)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(dǎo)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(yù)加載階段由PMU控制，執(zhí)行PMU ROM中的代碼設(shè)置系統(tǒng)。PMU處理所有的復(fù)位和喚醒過程。

Configuration stage : 接下來進(jìn)入最重要的一步，當(dāng)BootRom（CSU ROM代碼的一部分）搬運(yùn)FSBL到OCM后，處理器開始執(zhí)行FSBL代碼，F(xiàn)SBL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(yùn)用戶程序到DDR，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行

Post-configuration stage : FSBL開始執(zhí)行后，CSU ROM代碼進(jìn)入post-configuration階段，負(fù)責(zé)起系統(tǒng)干預(yù)響應(yīng)，CSU為驗(yàn)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(xù)的硬件支持。

3.1 生成FSBL

FSBL是一個二級引導(dǎo)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(yīng)用程序執(zhí)行。

1) 由于在新建時選擇了Generate boot components選項(xiàng)，所以Platform已經(jīng)導(dǎo)入了fsbl的工程，并生成了相應(yīng)的elf文件。

2) 修改調(diào)試宏定義FSBL_DEBUG_INFO_VAL，可以在啟動輸出FSBL的一些狀態(tài)信息，有利于調(diào)試，但是會導(dǎo)致啟動時間變長。保存文件。可以看一下fsbl里包含了很多外設(shè)的文件，包括psu_init.c，qspi，sd等，大家可以再仔細(xì)讀讀代碼。當(dāng)然這個fsbl模板也是可以修改的，至于怎么修改根據(jù)自己的需求來做。

3) 重新Build Project

4) 接下來我們可以點(diǎn)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(yīng)的BOOT.BIN

6) 還有一種方法就是，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中由于沒有FPGA的bitstream，不需要添加，第三個是應(yīng)用程序，在本實(shí)驗(yàn)中為hello.elf，由于沒有bitstream，在本實(shí)驗(yàn)中只添加bootloader和應(yīng)用程序。點(diǎn)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(fā)板的SD卡插槽

4) 啟動模式調(diào)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?yàn)镕SBL啟動信息，黃色箭頭部分為執(zhí)行的應(yīng)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，F(xiàn)SBL file選擇fsbl.elf。選擇Verify after flash，在燒寫完成后校驗(yàn)flash。

3) 點(diǎn)擊Program等待燒寫完成

4) 設(shè)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(xiàn)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(shè)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(kuò)展名改為bat,內(nèi)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(dāng)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(yàn)選項(xiàng)。
callE:/XilinxVitis/Vitis/2020.1/bin/program_flash -f BOOT.bin -offset 0 -flash_type qspi-x4-single -fsbl fsbl.elf -verifypause

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(shí)驗(yàn)”該怎么固化程序呢？

1) 根據(jù)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(chǔ)上添加LED實(shí)驗(yàn)的verilog源文件，并進(jìn)行例化，組成一個系統(tǒng)，并需要生成bitstream。

2) 生成bitstream之后，導(dǎo)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(rèn)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(jìn)行編譯的時候，最好選擇APP工程進(jìn)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(jìn)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(jié)果每次都要等待生成BOOT.BIN，浪費(fèi)時間，大家可以注意一下。

6. 本章小結(jié)
本章從FPGA工程師和軟件工程師兩者角度出發(fā)，介紹了ZYNQ開發(fā)的經(jīng)典流程，F(xiàn)PGA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(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序。本章是一個簡單的例子介紹了FPGA和軟件工程師協(xié)同工作，后續(xù)還會牽涉到PS與PL之間的聯(lián)合調(diào)試，較為復(fù)雜，也是ZYNQ開發(fā)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(yīng)用中會再介紹添加FPGA加載文件制作BOOT.BIN。

后續(xù)的工程都會以本章節(jié)的配置為準(zhǔn)，后面不再介紹ZYNQ的基本配置。

千里之行，始于足下，相信經(jīng)過本章的學(xué)習(xí)，大家對ZYNQ開發(fā)有了基本概念，高樓穩(wěn)不穩(wěn)，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(diǎn)待諸位慢慢消化。加油?。?！

審核編輯：何安