一文詳解ZYNQ器件的啟動配置方法

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無任是用CPU作為系統(tǒng)的主要器件，還是用FPGA作為系統(tǒng)的主要器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要考慮到的問題就是處理器的啟動加載問題。 XILINX推出的ZYNQ可擴(kuò)展處理平臺，片內(nèi)包括兩個高性能的ARM Cortex A9硬核（稱為處理系統(tǒng)processing system （PS））和FPGA（稱為可編程邏輯programmable logic （PL）），在基于該平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時具有極大的靈活性，本文就ZYNQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)時都會遇到啟動加載問題作一個拋磚引玉的描述，如有不當(dāng)之處還請高手斧正。

一、器件配置單元

ZYNQ器件都帶有一個器件配置單元（device configuration unit （DEVCFG） ），該模塊由PS控制，提供軟件控制下的PS和PL的初始化和配置功能。以前單個FPGA器件提供的下載方法已經(jīng)不在適用，PL的配置下載必須在PS的參與下進(jìn)行。

Zynq-7000的器件配置單元包括下面的PS單元：

① CPU

② OCM（引導(dǎo)ROM和共享RAM）

③ 部分頂層總線和外設(shè)

④ PS器件配置模塊

在PL側(cè)，下面的單元也將參與：

① PLS器件配置邏輯和接口

② 解密/鑒權(quán)硬件

③存儲在eFUSE單元或者電池備份RAM（BBRAM）內(nèi)的解密密鑰

下圖為PS器件配置子系統(tǒng)框圖：

提供的關(guān)鍵特性如下：

A．提供3種不同的PS配置方法，包括2種主模式和1種從模式。

① 加密主模式

② 非加密主模式

③ 非加密從模式

B．3種不同的主模式啟動源

① NOR FLASH

② NAND FLASH

③ QSPI FLASH

C：JTAG非加密從模式

D：用AES-256和HMAC （SHA-256）進(jìn)行PS/PL的加密下載

E：高速配置用的主DMA接口

F：100 MHz 32-bit PCAP流接口

H：SoC加密調(diào)試功能

在系統(tǒng)上電復(fù)位時，PS采樣專用bootstrapping signals引腳電平來決定從什么方式引導(dǎo)器件。這個引導(dǎo)過程是由一個Cortex A9核執(zhí)行片內(nèi)的ROM code實(shí)現(xiàn)的，ROM code的功能是初始化L1 cache和基本的總線系統(tǒng)，加載相應(yīng)的NAND， NOR， Quad-SPI， and PCAP驅(qū)動，從指定接口加載第一級BOOTLOADER（the first stage boot loader （FSBL））到片內(nèi)執(zhí)行。由于OCM RAM大小有限制，第一級BOOTLOADER大小最大為256KB。用戶只需要按要求提供啟動映像和設(shè)置正確的bootstrapping signals引腳電平，系統(tǒng)上電復(fù)位時由ROM code自動加載到片內(nèi)并且程序調(diào)轉(zhuǎn)到啟動映像，此時系統(tǒng)的全部控制功能交由用戶的啟動映像控制，用戶如要實(shí)現(xiàn)的第二級BOOTLOADER功能由啟動映像的程序?qū)崿F(xiàn)。

對于加密配置方法，需要用到AES-256解密代碼和SHA-256簽定（簽名）算法， PS需要用PL內(nèi)硬連線的AES-256 和SHA-256模塊，這時就要求在加密配置情況下PL就必須上著電，既使系統(tǒng)并不配置PL部分也需上電。器件的加密密鑰可以由用戶選擇是存儲在片內(nèi)的eFUSE單元（具有掉電非易失性）或者內(nèi)部電池供電的BBRAM內(nèi)（具有掉電易失性，適用于安全級別要求更高的場合）， 下表總結(jié)了配置模式和相關(guān)信息：

二、PS非加密主模式配置過程

這種模式下PS啟動映像是直接從外部非易失存儲器（NAND， NOR， Quad-SPI）內(nèi)加載到片內(nèi)OCM內(nèi)，隨后PL映像可以直接配置到PL內(nèi)，整個過程如下圖示：

PL映像的配置可由配置接口模塊用DMA來高速實(shí)現(xiàn)，在非加密情況下速度可以達(dá)到400MB/s， 加密情況下速度可以達(dá)到100MB/s， 這在FPGA需要部分重配置時十分有用。

三、PS加密主模式配置過程

PS加密主模式用到了位與片內(nèi)PL部分的硬件AES-256解密模塊和SHA-256模塊來對PS啟動映像進(jìn)行解密和完整性鑒定，器件密鑰存儲在片內(nèi)的eFUSE單元或者內(nèi)部BBRAM內(nèi)，當(dāng)PS加載成功后，用戶可以選擇用下面缺省的PL引導(dǎo)過程來配置PL部分，如下圖示：

其中配置PL時的比特流既可以是已經(jīng)經(jīng)過AES-256加密的比特流，也可以是先經(jīng)過PS先進(jìn)行解密后成為明文比特流送到PL內(nèi)，這個過程的保密性由用戶選擇使用。

在保密ROM引導(dǎo)階段如果PS完整性鑒定失敗，CPU就立即斷言PROG_B信號而清除PL內(nèi)容，同時發(fā)出一個加密復(fù)位信號，這使PS內(nèi)部的RAM和寄存器進(jìn)行復(fù)位，然后CPU進(jìn)入睡眠模式，系統(tǒng)只有重復(fù)上電才能復(fù)位。PL配置發(fā)生在BOOT的第二階段，這個過程完成可以由用戶選擇自己的方法在任何時間內(nèi)來配置一次或多次，并不需要一定按缺省的PL引導(dǎo)過程來配置PL部分。

四、啟動模式引腳

ZYNQ器件有5個啟動模式信號mode［4:0］，用來指出從哪里啟動，是否是JTAG模式，PLL是否旁路等。另外有兩個電壓模式信號vmode［1:0］用來指明MIO BANK的電壓模式，vmode［1:0］ 信號和mode［4:0］ 信號通過上拉和下拉來確定電平值，上拉和下拉電阻建議為20k歐姆，上拉是連接到VCCO_MIO0電壓，下拉是連接到地。系統(tǒng)在釋放PS_POR_B復(fù)位腳后這些啟動模式引腳信號會被采樣3個PS_CLK時鐘用來確定啟動方式。vmode［1:0］ 信號和mode［4:0］ 信號對應(yīng)的I/O管腳為MIO［8:2］，各信號具體含義如下：

① Mode［0］ 用來指明是否是JTAG 模正。

② Mode［3:1］用來選擇啟動源，是從NOR Flash還是從NAND Flash還是從QSPI啟動。

③ Mode［4］用來使能PLL。

④ Vmode［1:0］ 用來配置I/O BANK電壓。

這些信號和MIO管腳的對應(yīng)關(guān)系如下表表示：

注：上表中X表示不關(guān)心。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于MIO管腳數(shù)量有限（只有54個），且只分為兩個BANK（MIO Bank 0對應(yīng)管腳為PS_MIO［15:0］，PS_CLK，PS_POR_B；MIO Bank 1對應(yīng)管腳為PS_MIO［53:16］，PS_VREF_MIO和PS_SRST_B），并不建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)為從并行的NOR Flash啟動，因?yàn)檫@種方式NOR Flash占用的MIO管腳數(shù)量大多（大于40個管腳），系統(tǒng)設(shè)計(jì)為從NAND Flash或QSPI啟動都可以，這兩種方式占用的MIO管腳數(shù)量要少些，NAND Flash的優(yōu)點(diǎn)是容量比較大，缺點(diǎn)是讀寫速度要慢些（典型速度 10MB/s）， QSPI也是一種NOR Flash，不過接口是四線串行接口，可以獲得比較高的讀寫速度（典型速度 50MB/s），如果系統(tǒng)希望從其它方式如USB， Ethernet， SD/SDIO等方式啟動，這都需要用戶在第一級啟動映像內(nèi)自行設(shè)計(jì)啟動引導(dǎo)代碼。