篇首

最近突發奇想，Xilinx 的集成開發環境已經很好了，很多必要的代碼都直接生成了，這給開發者帶來了巨大便利的同時，也讓人錯過了很多代碼的精彩，可能有很多人用了很多年了，都還無法清楚的理解其中過程。博主準備以FSBL為例，與大家深入探討一番，從而加深對ZYNQ的加載過程的理解，以便大家作出更精彩的設計！

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LoadBootImage() 解讀

本文以Zynq7000 FSBL工程代碼為基礎，分析啟動流程核心函數$LoadBootImage()$的執行邏輯與關鍵技術細節。

一、函數調用框架

int LoadBootImage(void) {FsblHookBeforeBitstreamDdr(); // 鉤子函數Status = XFsbl_LoadPartitions(...); // 核心加載FsblHookBeforeHandoff(); // 移交前預處理return Status;
}

二、 函數執行全流程分解

** 函數入口與預處理**

int LoadBootImage(void) {u32 Status = XFSBL_SUCCESS;XTime tStart, tEnd;  // 64位計時器（若啟用性能分析）

• 硬件依賴：
  • 依賴psu_init.c完成的PS端基礎初始化（時鐘、MIO、SLCR鎖等）
  • DDR物理層已通過Xil_DDRInit()完成訓練（psu_ddr_phyinit.c）

** $FsblHookBeforeBitstreamDdr()$ 鉤子函數**

#ifdef FSBL_PERFXTime_GetTime(&tStart);  // 記錄TSC起始值（AXI Timer 0）
#endif
/* 用戶自定義擴展點：可插入DDR重配置代碼 */

• 關鍵寄存器操作：
  • DDRC控制：通過Xil_Out32(0xFD070000, 0x00040010)設置DDRC_ADDRMAP0調整地址映射
  • OCM重映射：關閉OCM緩存（SLCR.OCM_CFG寄存器位3置1）

$XFsb{l}_{L}oadPartitions()$ 核心加載

階段1：Boot Header解析

XFsblPs_BootHdr Header;
XFsbl_CheckBootHeader(ImageAddr, &Header); // 從QSPI/NAND讀取頭部

• 頭部結構體（xfsbl_ps_boothdr.h）：

  typedef struct {u32 ImageID;          // 魔數0xAA995566u32 NumPartitions;    // 分區總數（含PL比特流+應用）u32 AuthType;         // 加密類型：0=None, 1=RSA-2048u32 Checksum;         // 頭部的CRC32校驗// ... 其他字段（分區表偏移、證書偏移等）
  } XFsblPs_BootHdr;
  

階段2：安全認證（以RSA-2048為例）

XSecure_Sha3Init(&Sha3Instance);  // 初始化SHA-3引擎
XSecure_Sha3Update(&Sha3Instance, (u8*)ImageAddr, Header.HashLength);
XSecure_Sha3Final(&Sha3Instance, CalculatedHash);  // 計算哈希
XSecure_VerifySignature(CalculatedHash, StoredSignature); // RSA驗簽

• 硬件加速：
  • 使用PS內置的CSU模塊（Crypto Subsystem）
  • RSA密鑰存儲在eFUSE或BBRAM中（通過XSecure_GetEfuseKek()讀取）

階段3：分區加載循環

for (u8 i=0; i<Header.NumPartitions; i++) {XFsblPs_PartitionHdr PartHdr;XFsbl_ReadPartitionHdr(ImageAddr + Offset, &PartHdr);if (PartHdr.Attr & PART_ATTR_PL) {  // PL比特流分區XFsbl_LoadPlBitstream(PartHdr.LoadAddr, PartHdr.Size);} else {  // PS應用程序分區XFsbl_LoadElf(PartHdr.LoadAddr, PartHdr.Size); // ELF解析}
}

• 關鍵操作細節：
  • PL加載：通過DevCfg接口（XDcfg_CfgInitialize()）寫入PCAP
  • ELF加載：解析Program Headers，使用Xil_Out32()逐段寫入DDR
  • 地址對齊：通過XLAT_FSBL_TABLE處理非32位對齊訪問（觸發Data Abort時自動轉換）

$FsblHookBeforeHandoff()$ 移交前處理

Xil_DCacheFlush();  // 數據緩存刷新（確保DDR數據一致性）
Xil_Out32(CRL_APB_BASE + 0x24, 0x01000F00);  // 配置時鐘分頻

• 寄存器詳解：
  • CRL_APB (0xFF5E0024): 設置RPLL_CTRL分頻系數（CPU=1.3GHz, DDR=1066MHz）
  • SLCR_UNLOCK (0xF8000008): 寫入0xDF0D解鎖保護寄存器

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三、關鍵子函數解析

1. $FsblHookBeforeBitstreamDdr()$

   • 作用：DDR初始化前的預處理鉤子
   • 執行內容：

     #ifdef FSBL_PERF
     XTime_GetTime(&tStart); // 性能計數器啟動
     #endif
     

2. $XFsb{l}_{L}oadPartitions()$

   • 流程分解：
     • $XFsb{l}_{C}heckBootHeader()$
       驗證BIN文件頭結構（含$sizeof(XFsblP{s}_{B}ootHdr)$）
     • $XFsb{l}_{A}uthentication()$
       執行RSA-2048簽名驗證（通過$XSecur{e}_{S}ha3Init()$等加密API）
     • 分區加載循環
       遍歷分區表加載：

       for(u8 PartNum=0; PartNum<Header.NumPartitions; PartNum++){XFsbl_LoadPartition(...); // 加載單個分區#ifdef FSBL_DEBUGxil_printf("Partition %d Loaded\r\n", PartNum);#endif
       }
       

3. $FsblHookBeforeHandoff()$

   • 執行DDR刷新操作（$Xi{l}_{D}CacheFlush()$）
   • 配置時鐘分頻器（通過$Xi{l}_{O}ut32()$寫CRL_APB寄存器）

四、核心宏定義

• $FSBL_DEBUG
  控制調試輸出（默認關閉）
• KaTeX parse error: Double subscript at position 15: XPAR_PSU_DDR_0_?S_AXI_BASEADDR
  DDR控制器基地址宏（值$0x00100000$）
• $XLA{T}_{F}SB{L}_{T}ABLE$
  地址轉換表（處理非對齊訪問）

五、執行流程圖

$$\begin{array}{ccc}\text{初始化硬件}& \to & \text{驗證頭部}\\ \downarrow & & \downarrow \\ \text{DDR預處理}& \to & \text{加載分區}\\ & \searrow & \downarrow \\ & & \text{移交控制權}\end{array}$$

六、 關鍵數據流與硬件交互

數據加載路徑

$$\text{QSPI?Flash}\stackrel{\text{AXI?Quad-SPI控制器}}{\to }\text{OCM緩存}\stackrel{\text{DMA}}{\to }\text{DDR3}$$

• 性能優化：
  • 啟用DMA傳輸（XQspiPs_DmaTransfer()）
  • 使用線性突發模式（QSPI配置為DDR模式，時鐘速率83MHz）

安全認證流程

$$\begin{array}{rl}& \text{原始鏡像}\stackrel{\text{SHA-3/384}}{\to }\text{哈希值}\\ & \text{哈希值}\stackrel{\text{RSA-2048簽名}}{\to }\text{驗簽結果}\end{array}$$

• 抗攻擊設計：
  • 哈希計算前會清空CSU的密鑰緩存（XSecure_CsuAesKcvClear()）
  • 簽名失敗觸發安全鎖定（通過XSecure_SetTamperConfig()）

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七、調試與錯誤處理

調試宏啟用

#define FSBL_DEBUG  // 啟用調試輸出

• 典型輸出：

  XFsbl_Debug: Partition 0 Loaded at 0x00100000 (Size 1MB)
  XFsbl_Debug: PL Bitstream CRC Check Passed
  

** 錯誤碼定義**

#define XFSBL_ERROR_BOOTHEADER   0x1000  // 頭部校驗失敗
#define XFSBL_ERROR_AUTHFAIL     0x1001  // RSA驗簽錯誤
#define XFSBL_ERROR_PLLLOCK      0x1002  // 時鐘鎖相環失鎖

• 錯誤處理：
  • 記錄錯誤到PMU全局狀態寄存器（XFsbl_WriteReg(PMU_GLOBAL_GLOB_GEN_STORAGE, errCode)）
  • 觸發系統復位（XFsbl_FallbackReset()）

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**八、 總結 **

$LoadBootImage()$作為Zynq7000啟動鏈的核心，其執行涵蓋硬件初始化、安全認證、多階段加載三大模塊。函數首先通過$FsblHookBeforeBitstreamDdr()$完成DDR時序微調與性能監控啟動，隨后$XFsb{l}_{L}oadPartitions()$深度解析Boot Header結構，利用CSU硬件模塊實現RSA-2048/SHA-3安全認證，并依據分區屬性（PL比特流或PS應用）選擇PCAP配置或ELF加載機制。關鍵點包括：通過DevCfg接口的PL動態重配置、基于XLAT表的非對齊地址訪問補償、以及DMA加速的QSPI數據傳輸。移交控制權前，函數會強制刷新數據緩存（確保內存一致性）并通過CRL_APB寄存器組重配時鐘域。調試方面，FSBL_DEBUG宏可實時輸出分區加載狀態，而錯誤處理機制將異常狀態固化至PMU寄存器，為后續故障分析提供關鍵日志。該函數的設計充分體現了Zynq架構中PS-PL協同、硬件安全加速、以及多級啟動鏈的技術特點。

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注：具體實現細節需參考對應版本的$fsbl\_hooks.c$和$xfsbl\_partitio{n}_{l}oad.c$源碼文件。