📚 课程目录第4章 Zynq启动与裸机/ Linux运行环境

4. Zynq启动与裸机/ Linux运行环境

Zynq 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 及外设）和 PL（Programmable Logic）集成在同一芯片上的 SoC。上电后，PS 先接管启动，再由软件决定何时、以何种方式配置 PL。理解这条启动链，是后续做软硬件协同加速的前提——因为加速器 IP 只有在 PL 被正确配置、驱动被正确加载之后，才能被 Linux 或裸机程序访问。

一、启动链：BootROM → FSBL → 用户程序

Zynq 上电或复位后，最先运行的是芯片内部固化的 BootROM。BootROM 根据启动模式引脚（MIO[5:2] 等）决定从哪里读取启动镜像，常见来源包括 QSPI Flash、SD 卡、NAND、JTAG。它只做一件很有限的事：从所选介质中读取 Boot Header，找到 FSBL（First Stage Boot Loader）并把它搬到 OCM（On-Chip Memory）中执行。

FSBL 是用户可修改的第一段代码，通常由 Xilinx 的 FSBL 模板生成。它承担四项关键任务：初始化 DDR 控制器与时钟、把 PL 的比特流写入 PCAP 完成 PL 配置、把第二阶段程序（裸机 ELF 或 U-Boot）搬到 DDR、最后跳转执行。因此 FSBL 是“PS 启动”和“PL 生效”之间的桥梁。

把 FSBL、PL 比特流、U-Boot（或裸机 ELF）按 Boot Header 规定的格式打包，就得到 BOOT.BIN。它不是一个普通文件，而是带启动头、可被 BootROM 解析的镜像。用 Xilinx 的 bootgen 工具配合 .bif 文件即可生成：

// boot.bif 示例
the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf
    system.bit
    u-boot.elf
}
// 生成命令
bootgen -image boot.bif -arch zynq -o BOOT.BIN -w on

其中 [bootloader] 标记的必须是 FSBL，system.bit 是 PL 比特流，u-boot.elf 是第二阶段。若做裸机开发，把 u-boot.elf 换成应用 ELF 即可。BOOT.BIN 写入 SD 卡第一个 FAT 分区或烧入 QSPI，即可脱离 JTAG 独立启动。

二、裸机运行环境

裸机（Bare-metal）环境下没有操作系统，程序直接运行在硬件之上。典型工程由 FSBL + 应用 ELF 组成，或直接用 JTAG 加载。裸机访问 PL 中的加速器 IP，通常通过 AXI-Lite 寄存器读写或 AXI-Stream DMA 完成。例如一个自定义 IP 映射到 0x43C00000，裸机代码可直接用指针访问：

#define ACCEL_BASE  0x43C00000
#define CTRL_REG    (ACCEL_BASE + 0x00)
#define STATUS_REG  (ACCEL_BASE + 0x04)

// 启动加速器
*(volatile uint32_t*)CTRL_REG = 0x1;
// 轮询完成标志
while ((*(volatile uint32_t*)STATUS_REG & 0x2) == 0);

裸机的优点是延迟低、无调度开销，适合确定性要求高的场景；缺点是缺少文件系统、网络协议栈和内存管理，复杂应用开发成本高。

三、Linux 运行环境与设备树

当应用需要网络、文件系统、多任务时，通常选择 Linux。Zynq 上运行 Linux 需要三样东西：内核镜像（zImage 或 Image）、设备树（Device Tree）、根文件系统（rootfs）。U-Boot 负责把这三者从存储介质加载到 DDR 并启动内核。

设备树是 Linux 描述硬件的关键机制。它用文本（.dts/.dtsi）描述 CPU、内存、外设地址、中断、时钟、GPIO 等信息，编译成 .dtb 后由内核解析。对于 PL 中的自定义加速器 IP，必须在设备树中新增节点，否则驱动无法匹配。例如：

// 在 pl.dtsi 中描述自定义加速器
accelerator_0: accelerator@43c00000 {
    compatible = "mycompany,accel-1.0";
    reg = <0x43c00000 0x10000>;
    interrupts = <0 29 4>;
    clocks = <&clk_100M>;
};

其中 compatible 是驱动匹配的字符串，reg 是寄存器基址与长度，interrupts 描述中断号与触发类型。内核启动时，平台总线会根据 compatible 找到对应驱动并调用 probe 函数。

四、PetaLinux 与驱动加载

PetaLinux 是 Xilinx 提供的 Linux 开发套件，它把内核、U-Boot、设备树、rootfs 的配置与构建流程封装成命令行工具。典型流程如下：

用 petalinux-create -t project 创建工程；
用 petalinux-config --get-hw-description 导入 Vivado 导出的 .xsa，自动生成设备树与硬件配置；
用 petalinux-config -c kernel 裁剪内核，petalinux-config -c rootfs 选择 rootfs 包；
用 petalinux-build 编译，petalinux-package --boot 生成 BOOT.BIN 与 image.ub。

驱动加载有两种方式：编译进内核（built-in）或编译成模块（.ko）后动态加载。对于加速器驱动，若希望开机即用，可设为 built-in；若需灵活调试，可编译为模块，用 insmod 或 modprobe 加载。加载后通过 dmesg 查看 probe 是否成功，通过 ls /dev 或 ls /sys/class 确认设备节点是否生成。

设备树中的 compatible 字符串必须与驱动中的 of_device_id 表完全一致，否则 probe 不会被调用，这是初学者最常见的“驱动不工作”原因之一。

五、运行时环境搭建要点

无论裸机还是 Linux，运行时环境搭建都要关注以下几点：

DDR 初始化：FSBL 中根据 DDR 型号配置时序参数，参数错误会导致启动失败或运行不稳定；
时钟与复位：PL 的时钟来源、复位信号需在 Vivado 中正确连接，并在设备树或裸机代码中使能；
中断：Linux 下需确认 GIC 中断号与设备树一致，裸机下需配置 GIC 与中断服务程序；
缓存一致性：PS 与 PL 通过 AXI 交互时，DMA 缓冲区需处理 cache 一致性，Linux 下用 dma_alloc_coherent，裸机下用 Xil_DCacheFlush 等；
启动介质：量产用 QSPI，调试用 SD 卡或 JTAG，切换时注意启动模式引脚与 BOOT.BIN 位置。

一个可复现的验证方法是：先用 JTAG 加载 FSBL 与裸机程序，确认 PL 配置成功、加速器寄存器可读写；再切换到 SD 卡启动 Linux，用 devmem 或自定义驱动读写同一寄存器，确认软硬件路径一致。这样就把“启动链—设备树—驱动—运行时”串成了一条可验证的闭环。