ZYNQMP FSBL启动流程

ZYNQMP FSBL启动流程

ZYNQMPSoc系列FSBL启动uboot流程

• 1 FSBL介绍
• • 1.1 背景
  • 1.2 ZYNQMP启动流程
• 2 FSBL启动流程
• • 2.1 工程
  • 2.2 流程
  • 2.3 代码分析
• 3 总结

1 FSBL介绍 1.1 背景

最近由于在工作中需要做一些底层备份的工作，用的芯片属于ZYNQ UltraScale+ MPSoC系列的，大致看了网上的一些资料，基本都是讲ZYNQ 7000系列，涉及ZYNQMP系列比较少，所以自己也是去了解了一下ZYNQMP系列的FSBL流程。与ZYNQ7000系列FSBL流程基本差别不大，涉及的一些流程可以借鉴。这里主要看的是米联客介绍的FSBL启动流程。

1.2 ZYNQMP启动流程

• ZYNQMP的启动步骤，可以大致分为BootRom、FSBL、Uboot、Linux系统几个环节，这四个环节流程图如下：
  
  1.首先， 电源管理单元(PMU)执行 PMU ROM 固化程序来初始化系统，重置和唤醒相关的进程。
  2.接着，根据拨码开关从相应内存位置将引导加载程序(PS 的 FSBL 代码)加载到芯片 RAM (OCM)中并执行。
  3.然后，运行 ATF 之后启动 uboot 第一阶段引导程序初始化内存等基础硬件，将 uboot 第二阶段和kernel 加载到 DDR 中。
  4.最后，从内存 DDR 中加载运行 uboot 第二阶段初始化相关设备，配置 kernel 启动的环境并引导kernel 从而启动 rootfs。
• BootRom是固化在芯片内部的一段代码，我们不可以进行修改，而通过上图我们知道BootRom主要是用来加载FSBL到OCM中运行，并且将执行权限交给FSBL，关于BootRom怎么找到FSBL，主要是我们利用petalinux-package打包BOON.BIN时，存在一个BOOT.BIN的头部，里面包括了FSBL的大小，偏移地址等等，通过BOOT.BIN头找到FSBL，将执行权限交给FSBL，有兴趣的可以去Xilinx官网下载相关的文档查看，里面对Boot Header，image header table，partition header等介绍的很清楚。
• 我们主要来看看FSBL启动流程

2 FSBL启动流程 2.1 工程

因为我这边用到的工程主要是在Linux系统下利用Petalinux搭建的，具体xilinx的Vavido或者vitis我不会用，用的是FPGA那边给的配置好的xsa或者hdf文件，在ubuntu环境下搭建的工程，工程搭建完毕后直接利用petalinux-config -c u-boot/kernel/fsbl，就可以在工程中生成FSBL,U-BOOT和kernel的源码，这里我们以工程中生成的FSBL源码进行大致的分析。

2.2 流程

• FSBL 的全名为 First Stage Boot Loader，即第一阶段引导加载程序。 FSBL 的任务比较重要，它需要完成以下的工作：

  a. 初始化PS端
  b. 使用 bit 文件配置 PL 端。
  c. 加载 Uboot 到内存中。
  d. 移交执行权限给 Uboot。

• 以下为 fsbl 的启动流程：
  这个阶段需要完成一系列的初始化 *** 作，首先会初始化 PS 端的内存与 MIO 接口等，然后读取 bit文件配置好 PL 端， 值得注意的是 PL 端需要在 FSBL 的阶段配置好，否则是无法直接配置的。接着加载 Uboot 到内存中，最后 ARM 会跳转到内存中执行 Uboot 程序。

2.3 代码分析

• 因为 FSBL 的作用是引导 SSBL，所以引导裸机和引导 Uboot 的 FSBL 没有什么区别，因此我们直接从petalinux创建的工程 查看 FSBL 的相关源码。
• 首先我们的平台是ZYNQMP，所以我们需要到***fsbllibsw_appszynqmp_fsblsrc***下，里面存在链接脚本文件lscript_a53.ld和lscript.ld，打开如下：
  可以看到ENTRY函数，进入初始化向量表_vector_table，这里进行一些初始化 *** 作。
• 而*_vector_table定义在源码*fsbllibbspstandalonesrcarmARMv864bitgccasm_vectors.S里面。
  
  在向量表中可以看到，启动程序会跳转到_boot， 为了查看其源码，我们需要找到_boot 的实现， _boot的实现在 boot.S 文件中， 打开同目录下的 boot.S 文件： 找到_boot，可以看到其首先在初始化处理器的各种模式，初始化 C 语言的执行环境：
  
  这里会使能 I cache、 SP 堆栈、 caches、 MMU，然后跳转至_startup 函数启动
  
  同样的方法，我们需要找到_startup 的实现，这个函数在同目录下的 xil-crt0.S 中，打开 xil-crt0.S文件并找到_startup：
  
  在_startup 函数中，对 bss 进行了一系列的 *** 作，然后清 bss，构造全局结构体，重启定时器之后跳转到 main 函数开始执行。
• 这里进入main函数，main函数路径：fsbllibsw_appszynqmp_fsblsrcxfsbl_main.c
  
  main 函数会经历以下四个主要阶段：
  a.各种初始化。
  b.引导设备安装和 image 验证。
  c. 加载并验证分区
  d. 执行完FSBL，转到uboot，即第二阶段。
  各种初始化：
  这个函数包括了诸多软硬件的初始化 *** 作，非常清楚地看到在 switch 中属于 XFSBL_STAGE1 也就是 第 一 阶 段 ， 在 其 运 行 成 功 后 ， 才 会 跳 转 到 第 二 阶 段 继 续 执 行 ， 其 位 置 为fsbllibsw_appszynqmp_fsblxfsbl_initialization.c：
  这个函数的第一步便是获取复位的原因。
  紧接着是系统初始化：
  在这个函数的注释中，调用了 psu_init()这个函数， 该函数根据 PS 的类型进行 MIO,PLL,CLOCK,DDR一系列参数的设定。
  
  处理器初始化：
  
  DDR 初始化：
  板卡初始化：
  重置验证：
  
• 如果这些初始化 *** 作均成功了，到这里整个初始化工作便可以告一段落了，接下来要运行第二阶段，也就是引导设备安装和 image 验证。
• 引导设备安装和 image 验证
  
  这一段代码比较有趣，逻辑也比较清晰： 首先运行初始化函数，然后根据返回参数来判断启动方式，分为错误、 JTAG 和普通启动模式。其中如果引导发现是 JTAG 模式就会直接跳转到第四步，这是因为第三步的任务是加载分区，而 JTAG 模式是不需要的。了解的初始化函数的返回值，我们再去查看其实现，同样还是在 xfsbl_initialization.c 文件中：
  
  第一步为获取模式开关的参数，查看 XFsbl_PrimaryBootDeviceInit 函数：
  其中一段就展示了获取模式开关的代码，注意此处不是读取模式开关，因为读取是由 BootROM完成的， FSBL 只是 获取了 BootROM 的参数。 这里以 NAND 启动方式为例， 在读取到为XFSBL_NAND_BOOT_MODE 这个参数后，会进行如下的 *** 作：
  先是初始化设备（这里是 NAND），再从设备中读取 BOOT.bin 文件，最后关闭文件。
  上一步完成后，紧接着就是读取验证头：
  最后是设置第二启动设备，如果有第二启动设备，还要对其进行初始化 *** 作：
• 加载并验证分区
  部分启动方式可以跳过此部分，比如 JTAG 模式。
  
  第三部分也是如出一辙，先加载分区，分为成功与失败两个情况，成功的情况下会继续验证分区。我们先来看 XFsbl_PartitionLoad 这个函数，它的定义在同目录 xfsbl_partition_load.c 这个文件里：
  以上为 XFsbl_PartitionLoad 的核心代码，分为三步，先验证分区头，查验是不是对应的型号，如果是对应的型号则复制分区内容，最后是分区的验证。
  回到 xfsbl_main.c 文件中，第三步还会对所有分区进行一次验证，保证所有分区均已加载完成：
  这一步完成后，便会跳转至下个阶段。
• 转移执行权限
  在第四阶段中， 同样也是先运行移交权限的 XFsbl_Handoff 函数，然后处理各种返回的情况：分为三种情况，为：分区未加载完全，会跳转到第三步继续执行。继续移交权限，主要出现在一个应用执行完，需要运行下一个应用时。失败的情况，移交权限失败。还有一种情况就如同注释写的那样，应该永远也不会被执行。
  看完整体的构架，接下来要看看 XFsbl_Handoff 的定义，了解一下移交执行权限究竟经过了哪些步骤，这个函数的定义位于 xfsbl_handoff.c 文件中：
  恢复 SD 卡检测信号：
  解除PS-PL 隔离以允许 u-boot 和 linux 访问 PL：
  刷新 L1 和 L2 数据缓存，禁用数据缓存：
  PM 初始化：
  保护配置：
  切换到 CPU 运行：
• 到这里， FSBL 阶段的工作全部完成，接下来就由 Uboot 来继续 *** 作。

3 总结

• 相信大家看了上面的分析以及源代码后，大致可以了解FSBL的启动流程，对于FSBL，汇编阶段我们可以不必过于关注，如果我们需要修改FSBL，也只是修改FSBL的C语言阶段。
• 当然，如果真的分析了源码，我们可以发现在主函数中的starge3中，会依次加载BOOT.BIN中的几个分区，有几个分区就分别加载几个，但是，在***XFsbl_PartitionLoad***函数中，调用了三个函数，我仔细看了这三个函数，只是在验证每个分区的头部，对于uboot实体，并没有进行验证，如果我们在nand启动时由于bit位翻转，那系统将无法启动，所以后面我增加了对整个uboot实体的crc校验以及增加了备份分区，主分区加载失败，FSBL启动备份分区uboot镜像。
• 将在下一篇博客分析，后面也还会在uboot中增加kernel备份镜像功能。