ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA Hello World教程

作者：ALINX

* 本原创教程由芯驿电子科技（上海）有限公司（ALINX）创作，版权归本公司所有，如需转载，需授权并注明出处。

适用于板卡型号：
AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

此文基于第十八章内容进行软件开发

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

软件工程师工作内容

Vitis工程目录为“ps_hello/vitis”

以下为软件工程师负责内容。

1.Vitis调试；

2.创建Application工程；

1）新建一个文件夹，将vivado导出的xx.xsa文件拷贝进来；

2）Vitis是独立的软件，可以双击Vitis软件打开；

也可以通过在Vivado软件中选择ToolsLaunch Vitis打开Vitis软件

选择之前新建的文件夹，点击”Launch”

3）启动Vitis之后界面如下，点击“Create Application Project”，这个选项会生成APP工程以及Platfrom工程，Platform工程类似于以前版本的hardware platform，包含了硬件支持的相关文件以及BSP。

4）第一页为介绍页，直接跳过，点击Next

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

选择之前生成的xsa，点击打开

6）最下面的Generate boot components选项，如果勾选上，软件会自动生成fsbl工程，我们一般选择默认勾选上。

7）填入APP工程名称，在方框处点击可以选择对应的处理器，我们这里保持默认

8）在这个界面可以修改Domain名称，选择操作系统，ARM架构等，这里保持默认，操作系统选择standalone，也就是裸机。

9）选择”Hellow World”模板，点击“Finish”完成

10）完成之后可以看到生成了两个工程，一个是硬件平台工程，即之前所说的Platfrom工程，一个是APP工程

11）展开Platform工程后可以看到里面包含有BSP工程，以及zynq_fsbl工程（此工程即选择Generate boot components之后的结果）,双击platform.spr即可看到Platform对应生成的BSP工程，可以在这里对BSP进行配置。软件开发人员比较清楚，BSP也就是Board Support Package板级支持包的意思，里面包含了开发所需要的驱动文件，用于应用程序开发。可以看到Platform下有多个BSP，这是跟以往的SDK软件不一样的，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，在以后的例程中再讲。

12）点开BSP，即可看到工程带有的外设驱动，其中Documentation是xilinx提供的驱动的说明文档，Import Examples是xilinx提供的example工程，加快学习。

13）选中APP工程，右键Build Project，或者点击菜单栏的“锤子”按键，进行工程编译

14）可以在Console看到编译过程

编译结束，生成elf文件

15）连接JTAG线到开发板、UART的USB线到PC

16）使用PuTTY软件做为串口终端调试工具，PuTTY是一个免安装的小软件

17）选择Serial，Serial line填写COM3，Speed填写115200，COM3串口号根据设备管理器里显示的填写，点击“Open”

18）在上电之前最好将开发板的启动模式设置到JTAG模式，拔到”ON”的位置

19）给开发板上电，准备运行程序，开发板出厂时带有程序，这里可以把运行模式选择JTAG模式，然后重新上电。选择“hello”，右键，可以看到很多选项，本实验要用到这里的“Run as”，就是把程序运行起来，“Run as”里又有很对选项，选择第一个“Launch on Hardware(Single Application Debug)”，使用系统调试，直接运行程序。

20）这个时候观察串口软件，即可以看到输出”Hello World”

21）为了保证系统的可靠调试，最好是右键“Run As -> Run Configuration...”

22）我们可以看一下里面的配置，其中Reset entire system是默认选中的，这是跟以前的SDK软件不同的。如果系统中还有PL设计，还必须选择“Program FPGA”。

23）除了“Run As”，还可以“Debug As”，这样可以设置断点，单步运行

24）进入Debug模式

25）和其他C语言开发IDE一样，可以逐步运行、设置断点等

26）右上角可以切换IDE模式

3. 固化程序
普通的FPGA一般是可以从flash启动，或者被动加载，ZYNQ的启动是由ARM主导的，包括FPGA程序的加载，ZYNQ MPSoC启动一般为三个步骤，在UG1085中也有介绍：

Pre-configuration satge :预加载阶段由PMU控制，执行PMU ROM中的代码设置系统。PMU处理所有的复位和唤醒过程。

Configuration stage : 接下来进入最重要的一步，当BootRom（CSU ROM代码的一部分）搬运FSBL到OCM后，处理器开始执行FSBL代码，FSBL主要有以下几个作用：

初始化PS端配置，MIO，PLL，DDR，QSPI，SD等

如果有PL端程序，加载PL端bitstream

搬运用户程序到DDR，并跳转执行

Post-configuration stage : FSBL开始执行后，CSU ROM代码进入post-configuration阶段，负责起系统干预响应，CSU为验证文件正确性、通过PCAP加载PL、存储管理安全密钥、解密等提供持续的硬件支持。

3.1 生成FSBL

FSBL是一个二级引导程序，完成MIO的分配、时钟、PLL、DDR控制器初始化、SD、QSPI控制器初始化，通过启动模式查找bitstream配置FPGA，然后搜索用户程序加载到DDR，最后交接给应用程序执行。

1) 由于在新建时选择了Generate boot components选项，所以Platform已经导入了fsbl的工程，并生成了相应的elf文件。

2) 修改调试宏定义FSBL_DEBUG_INFO_VAL，可以在启动输出FSBL的一些状态信息，有利于调试，但是会导致启动时间变长。保存文件。可以看一下fsbl里包含了很多外设的文件，包括psu_init.c，qspi，sd等，大家可以再仔细读读代码。当然这个fsbl模板也是可以修改的，至于怎么修改根据自己的需求来做。

3) 重新Build Project

4) 接下来我们可以点击APP工程的system，右键选择Build project

5) 这个时候就会多出一个Debug文件夹，生成了对应的BOOT.BIN

6) 还有一种方法就是，点击APP工程的system右键选择Creat Boot Image，弹出的窗口中可以看到生成的BIF文件路径，BIF文件是生成BOOT文件的配置文件，还有生成的BOOT.bin文件路径，BOOT.bin文件是我们需要的启动文件，可以放到SD卡启动，也可以烧写到QSPI Flash。

 

7) 在Boot image partitions列表中有要合成的文件，第一个文件一定是bootloader文件，就是上面生成的fsbl.elf文件，第二个文件是FPGA配置文件bitstream，在本实验中由于没有FPGA的bitstream，不需要添加，第三个是应用程序，在本实验中为hello.elf，由于没有bitstream，在本实验中只添加bootloader和应用程序。点击Create Image生成。

8) 在生成的目录下可以找到BOOT.bin文件

3.2 SD卡启动测试

1) 格式化SD卡，只能格式化为FAT32格式，其他格式无法启动

2) 放入BOOT.bin文件，放在根目录

3) SD卡插入开发板的SD卡插槽

4) 启动模式调整为SD卡启动

5) 打开串口软件，上电启动，即可看到打印信息，红色框为FSBL启动信息，黄色箭头部分为执行的应用程序helloworld

3.3 QSPI启动测试

1) 在Vitis菜单Xilinx -> Program Flash

2) Hardware Platform选择最新的，Image FIle文件选择要烧写的BOOT.bin，FSBL file选择fsbl.elf。选择Verify after flash，在烧写完成后校验flash。

3) 点击Program等待烧写完成

4) 设置启动模式为QSPI，再次启动，可以在串口软件里看到与SD同样的启动效果。

 

3.4 Vivado下烧写QSPI

1) 在HARDWARE MANGER下选择器件，右键Add Configuration Memory Device

2) 选择尝试Micron，类型选择qspi，宽度选择x4-single，Density选择256，这时候出现wt25qu256，选择红框型号。

3) 右键选择编程文件

4) 选择要烧写的文件和fsbl文件，就可以烧写了，如果烧写时不是JTAG启动模式，软件会给出一个警告，所以建议烧写QSPI的时候设置到JTAG启动模式

3.5 使用批处理文件快速烧写QSPI

1) 新建一个program_qspi.txt文本文件，扩展名改为bat,内容填写如下，

E:/XilinxVitis/Vitis/2020.1/bin/program_flash 为我们工具路径，按照安装路径适当修改，-f 为要烧写的文件，-fsbl为要烧写使用的fsbl文件，-verify为校验选项。
callE:/XilinxVitis/Vitis/2020.1/bin/program_flash -f BOOT.bin -offset 0 -flash_type qspi-x4-single -fsbl fsbl.elf -verifypause

2) 把要烧录的BOOT.bin、fsbl、bat文件放在一起

3) 插上JTAG线后上电，双击bat文件即可烧写flash。

4. 常见问题
4.1 仅有PL端逻辑的固化

有很多人会问，如果只有PL端的逻辑，不需要PS端该怎么固化程序呢？不带ARM的FPGA固化是没问题的，但是对于ZYNQ来说，必须要有PS端的配合才能固化程序。那么对于前面的”PL的“Hello World”LED实验”该怎么固化程序呢？

1) 根据本章的PS端添加ZYNQ核并配置，最简单的方法就是在本章工程的基础上添加LED实验的verilog源文件，并进行例化，组成一个系统，并需要生成bitstream。

 

2) 生成bitstream之后，导出硬件，选择include bitstream

3) 在生成BOOT.BIN时，还是需要一个app工程hello，仅仅是为了生成BOOT.BIN，默认情况下在system右键Build Project，即可生成包含bitstream的BOOT.BIN。

打开Create Boot Image界面可以看到，Boot Image Partitions的文件顺序是fsbl、bitstream、app，注意顺序不要颠倒，利用这样生成的BOOT.BIN就可以按照前面的启动方式测试启动了

在course_s2文件夹，我们提供了一个名为led_qspi_sd的工程，大家可以参考。

5. 使用技巧分享
在频繁的修改源文件，并进行编译的时候，最好选择APP工程进行Build Project，这种情况下只会生成elf文件。

如果想生成BOOT.BIN文件，可以选择system进行编译，这种情况既会生成elf也会生成BOOT.BIN，笔者最开始用的时候就吃过亏，每次编译都是选择system，结果每次都要等待生成BOOT.BIN，浪费时间，大家可以注意一下。

6. 本章小结
本章从FPGA工程师和软件工程师两者角度出发，介绍了ZYNQ开发的经典流程，FPGA工程师的主要工作是搭建好硬件平台，提供硬件描述文件hdf给软件工程师，软件工程师在此基础上开发应用程序。本章是一个简单的例子介绍了FPGA和软件工程师协同工作，后续还会牵涉到PS与PL之间的联合调试，较为复杂，也是ZYNQ开发的核心部分。

同时也介绍了FSBL，启动文件的制作，SD卡启动方式，QSPI下载及启动方式，Vivado下载BOOT.BIN方式，本章没有FPGA加载文件，后面的应用中会再介绍添加FPGA加载文件制作BOOT.BIN。

后续的工程都会以本章节的配置为准，后面不再介绍ZYNQ的基本配置。

千里之行，始于足下，相信经过本章的学习，大家对ZYNQ开发有了基本概念，高楼稳不稳，要看地基打的牢不牢，虽然本章较为简单，但也有很多知识点待诸位慢慢消化。加油！！！

审核编辑：何安