3. Zynq启动与PS端最小系统

Zynq-7000 的启动过程与纯 FPGA 或纯 ARM 处理器都不同：它是一颗把 PS（Processing System，双核 Cortex-A9 + 存储控制器 + 外设）和 PL（Programmable Logic）集成在同一芯片上的 SoC。上电后，PS 是"主控者"，PL 默认处于未配置状态，必须由 PS 主动加载比特流才能工作。因此理解 Zynq 的启动链，是搭建任何 PS 端最小系统的前提。

一、启动阶段划分：从 BootROM 到操作系统

Zynq 的启动是严格分阶段的，每一级只负责把下一级搬进内存并跳转过去。上电复位后，芯片内部固化的 BootROM（约 128 KB，不可修改）首先运行，它根据 MIO[5:2] 引脚（启动模式选择）判断从哪里读取 Boot Header：QSPI Flash、NAND、NOR、SD 卡或 JTAG。BootROM 只做一件事——把 Boot Header 和 FSBL 从所选介质搬到 OCM（On-Chip Memory，256 KB）中，然后跳转到 FSBL 入口。

FSBL（First Stage Boot Loader）是用户可修改的第一段代码，由 Xilinx 提供源码（fsbl 工程），通常基于官方模板修改。它承担四项关键任务：初始化 DDR 控制器与时钟、配置 PL（若启动镜像中包含 bitstream）、加载第二阶段引导程序（U-Boot 或裸机应用）、最后跳转执行。FSBL 运行在 OCM 中，因此其代码体积必须控制在 192 KB 以内（OCM 中留给 FSBL 的部分）。

第二阶段通常是 U-Boot（用于 Linux 启动）或直接是裸机应用（bare-metal）。U-Boot 负责加载 Linux 内核、设备树和根文件系统，最终把控制权交给内核。整个链条可以概括为：BootROM → FSBL → U-Boot → Linux Kernel，裸机场景则简化为 BootROM → FSBL → 应用。

二、FSBL 的关键配置与常见问题

FSBL 工程在 Vitis（或旧版 SDK）中创建时，会自动生成 fsbl_debug.h、fsbl.h 等文件。真正需要关注的是 fsbl.h 中的几个宏：FSBL_DEBUG_INFO 打开后会在串口输出详细日志，调试阶段建议开启；FSBL_DEBUG_DETAILED 更啰嗦，仅在定位 DDR 初始化失败时使用。FSBL 的 DDR 初始化参数来自 Vivado 导出的 ps7_init.c/h，这些文件由 PS 配置界面中的 DDR 型号、位宽、时序参数自动生成，因此 DDR 配置必须在 Vivado 中正确设置，否则 FSBL 会在 DDR 初始化处卡死。

一个典型现象是：串口只打印 BootROM 的 "Xilinx First Stage Boot Loader" 后就没有下文。这通常意味着 FSBL 在 DDR 初始化或 PL 配置阶段失败。排查顺序是：先确认 ps7_init 是否与硬件匹配，再检查启动镜像（BOOT.bin）中是否包含了正确的 bitstream，最后确认 FSBL 是否被正确打包进 BOOT.bin。

三、设备树：硬件描述与内核的桥梁

设备树（Device Tree）是 Linux 内核识别硬件的唯一依据。Zynq 的设备树源文件（.dts/.dtsi）描述了 PS 端所有外设的基地址、中断号、时钟、引脚复用等信息。对于 PS 端最小系统，关键节点包括：uart1（串口）、gem0（以太网）、sdhci0（SD 卡）、qspi（Flash）、memory（DDR 大小）。

设备树中 chosen 节点的 bootargs 决定了内核启动参数，例如 console=ttyPS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait 表示串口控制台、根文件系统在 SD 卡第二分区。如果串口没有输出，首先要检查 bootargs 中的 console 设备名是否与设备树中 UART 节点一致。

四、U-Boot 与启动镜像打包

U-Boot 在 Zynq 上通常使用 xilinx_zynq 配置。它从 FSBL 手中接过控制权后，会读取环境变量（保存在 QSPI 或 SD 卡中），执行 bootcmd。典型流程是：从 FAT 分区加载 image.ub（FIT 镜像，包含内核+设备树）或分别加载 zImage 与 system.dtb，然后 bootm 启动。

启动镜像 BOOT.bin 由 Bootgen 工具打包，输入是一个 .bif 文件，内容形如：

the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf
    system.bit
    u-boot.elf
}

其中 [bootloader] 标记 FSBL 为第一阶段，system.bit 是 PL 比特流，u-boot.elf 是第二阶段。Bootgen 会按顺序把它们拼接成 BootROM 能识别的格式。注意：如果使用裸机应用，则把 u-boot.elf 替换为应用 elf 即可。

五、串口调试：观察启动链的窗口

PS 端最小系统调试几乎完全依赖串口。硬件上，UART1 通过 MIO48/49 引出，需在 Vivado 中使能并分配引脚。PC 端使用串口工具（如 PuTTY、minicom、screen）连接，参数固定为 115200-8-N-1。上电后应依次看到：BootROM 无输出（正常）、FSBL 打印版本与 DDR 初始化信息、U-Boot 打印版本与倒计时、内核打印启动日志。如果某一级没有输出，就说明问题出在该级或前一级。

六、裸机运行环境

如果不需要 Linux，可以直接用 FSBL 加载裸机应用。裸机应用在 Vitis 中创建，链接脚本通常把代码放在 DDR 或 OCM 中。对于简单控制任务，可以只使用 OCM（256 KB），这样无需初始化 DDR，启动更快。裸机应用的入口是 main()，Xilinx 提供的 BSP 会初始化 UART、定时器等基础外设。串口打印使用 xil_printf()，它比标准 printf 更轻量，适合资源受限场景。

无论 Linux 还是裸机，PS 端最小系统的核心都是：正确的启动模式引脚、匹配硬件的 FSBL、完整的 BOOT.bin、以及一个能观察启动过程的串口。把这四件事做对，Zynq 就能稳定地从上电走到应用入口。