對于一款新的Zynq板卡來說，如何開掛啟動程序

答案是：Digital Discovery

口袋式高速邏輯分析儀

當新入手一款Zynq開發(fā)板后，一般新手在串口輸出一個hello world，實現(xiàn)功能就可以了。而對于一些對于Zynq有一定了解的老手而言，往往則會去嘗試了解板上硬件的特性和時序，探究hello world輸出背后整個系統(tǒng)是如何運作的。

事實上，對于一款新的Zynq板卡來說，在啟動序列中QSPI傳輸?shù)乃俣炔皇且粋€明顯的規(guī)范，本文教程就將教你如何使用Digital Discovery口袋式高速邏輯分析儀來快速分析啟動序列并確定時序。

01

硬件清單

• Digital Discovery口袋式高速邏輯分析儀

• 帶有flash的Zynq開發(fā)板（本文中使用Digilent Zybo作為被測對象）

• SOIC測試夾（若有最佳）

• 杜邦線

注：事實上，除了Digital Discovery之外，當然你也可以用經典的Digilent Analog Discovery 2來操作，后者同樣帶有邏輯分析儀功能。這里更為推薦使用Digital Discovery，有兩個原因：一是由于QSPI時鐘頻率很高，超過100MHz，因此所選的儀器需要具有足夠的采樣率。二是Digital Discovery具有512 MB的DDR，可以完成大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲的要求。

02

連接Digital Discovery

連接關系如下：

在使用如上圖所示的杜邦線進行連接時，要注意保證信號完整性，避免串擾。在某些時候，需要將某個信號和地線進行纏繞，如圖中的藍色cs信號就使用了接了地的黑線進行了纏繞。

03

QSPI腳本

為了將QSPI的信號轉換成數(shù)據(jù)，在邏輯分析儀的WaveForm軟件中增添了一個“定制”通道，并使用js語言編寫了一個“解釋器”。代碼如下：

// rgData: input, raw digital sample array// rgValue: output, decoded data array// rgFlag: output, decoded flag arrayvar c = rgData.length // c = number of raw samplesvar pClock = false; // previous cock signal levelvar iStart = 0;   // used to keep track on word start indexvar cByte = 0;   // byte count per transmissionvar cBits = 0;   // bit countervar bValue = 0;   // value variablevar fCmd = true;for(var i = 0; i < c; i++){ // for each sample? ? var s = rgData[i]; // current sample? ? var fSelect = 1&(s>>0); // pin0 is the select signal    var fClock = 1&(s>>1); // pin1 is the clock signal  var fData = 1&(s>>2); // pin2 is the data signal  var fData4 = 0xF&(s>>2); // DIN 2-5 DQ 0-3    if(fSelect != 0){ // select active low    // while select inactive reset our counters/variables    iStart = i+1; // select might become active with next sample    cByte = 0;    cBits = 0;    bValue = 0;    pClock = false;    fCmd = true;    continue;  }  if(pClock == 0 && fClock != 0){ // sample on clock rising edge       bValue <<= 4; // serial data bit, MSBit first? ? ?? ? ? bValue |= fData4;? ? ??? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? cBits++;? ? ?? ? ? if(cBits==2){ // when got the 8th bit of the word store it? ? ?? ? ?  ? cByte++;? ? ?? ? ?  ? // store rgValue/Flag from word start index to current sample position? ? ?? ? ?  ? for(var j = iStart; j < i; j++){? ? ?? ? ?  ? ? ? // Flag change will be visible on plot even when data remains constant.? ? ?? ? ?  ? ? ? // This is useful in case we get more consecutive equal values.? ? ?? ? ?  ? ? ? rgFlag[j] = cByte;? ? ?? ? ?  ? ? ? rgValue[j] = bValue;? ? ?? ? ?  ? ?}? ? ?? ? ?  ? ?iStart = i+1; // next word might start after this sample? ? ?? ? ?  ? ?cBits = 0; ?// reset bit count for the next byte? ? ?? ? ?  ? ?bValue = 0; // reset value variable? ? ?? ? ?  }? ? ??}? ? ??pClock = fClock; // previous clock level}

除了使用定制的“解釋器”外，我們還可以使用標準的SPI來分析那些沒有通過QSPI發(fā)送到指令，例如第一條讀取指令。

04

觸發(fā)與采樣

雖然QSPI的最高時鐘頻率是100MHz，但在啟動過程中的最高頻率僅為25MHz。此外，整個啟動過程大概需要700ms。因此對于同時滿足大量樣本和高速采樣率，這也正是選擇Digital Discovery的原因——200MHz的采樣速度可以在1.3s內采樣268M的樣本數(shù)據(jù)。

采樣本身是十分浪費資源的，這個過程需要使用16GB的電腦內存，并且需要很長的時間來完成數(shù)據(jù)的處理。

觸發(fā)設置在CS信號的下降沿。

下圖是Waveforms中整個QSPI的傳輸過程。注意圖中采樣信號的短暫中斷，從這個時候起時鐘頻率由5.4MHz變?yōu)榱?5MHz。

05

啟動傳輸

想要明白所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)含義需要閱讀兩個文檔，一是Zynq技術參考手冊（www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug585-Zynq-7000-TRM.pdf），另一個是flash memory的數(shù)據(jù)手冊（www.cypress.com/file/177966/download）。

Zynq與flash之間使用SPI協(xié)議進行通信，Zynq發(fā)送通過D0向flash發(fā)送指令。所發(fā)送的第一條指令是0x03 0x00 0x00 0x20，含義是SPI讀，讀起始地址是0x20。Flash通過D1接收0x66 0x55 0x99 0xaa。Flash讀指令的含義在flash memeory的第85頁做了解釋。

（點擊可查看大圖）

在Zynq技術參考手冊的第170到179頁解釋了所回復指令的含義，簡單說這組字節(jié)告訴了Zynq內存是支持QSPI的。還需要注意到，此時的SPI時鐘是5.405MHz，是一個比較低的速度。

從這點上看，確定了Zynq的內存支持QSPI，并且所有的交互都將在這4條數(shù)據(jù)線上完成。例如，下一條指令是0x6b，跟在一個3個字節(jié)的地址的后面。0x6b表示一個quad讀指令，在8個時鐘周期后的QSPI解釋器上看到響應，這是虛擬字節(jié)。

（點擊可查看大圖）

在本例中，地址是0x1d，讀取7個字節(jié)。這些字節(jié)來自地址0x1d、0x1e、0x1f，它是中斷表的一部分，然后從地址0x20開始讀取4個字節(jié)，這是在第一個SPI讀取時讀取的相同字節(jié)。

Znqy將繼續(xù)讀取字節(jié)，地址逐漸增加，直到0x45，這是bootROM Header的結尾。

但是，由于我們無法訪問BootROM的代碼，其余的引導序列就不那么透明了。在某個時候，F(xiàn)SBL(第一階段引導加載程序)將開始運行，最有可能的是當SPI時鐘頻率變化到25 MHz的時候，如下所示，也就是在引導過程開始后的84毫秒。

（點擊可查看大圖）

然后，F(xiàn)SBL將讀取引導映像文件并分析它包含的不同分區(qū)，包括配置Zynq PL部分的bit文件，在ARM中運行的elf文件。

關于引導鏡像和啟動過程可以閱讀這一用戶手冊（www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug821-zynq-7000-swdev.pdf）。