ZYNQ 7000 启动流程介绍

系统启动概述

ZYNQ-7000 是 ARM Cortex-A9 + FPGA 架构的 SoC，启动过程由硬件（PS）主导，分阶段完成系统启动和可编程逻辑配置。ZYNQ 7000 SoC的启动是一个多阶段、高度可配置的过程，涉及硬件自动加载和软件控制的复杂交互。本文将详细剖析从电源上电到操作系统加载的完整流程。

硬件初始化阶段

上电与硬件复位

PS（ARM）和 PL（FPGA）复位。
读取 BOOT_MODE 引脚状态决定启动介质。
保持 PL 未配置状态。

电源和时钟树初始化

POR (Power-On Reset) 序列

所有电源轨达到稳定状态（PS_POR_B信号拉高）
内部振荡器启动（典型频率33.33MHz）
时钟分频器设置为默认值

时钟网络配置


x
// BootROM初始时钟配置
#define ARM_PLL_CTRL   0xF8000100
#define DDR_PLL_CTRL   0xF8000104
#define IO_PLL_CTRL    0xF8000108

// 典型初始化值
writel(ARM_PLL_CTRL, 0x0001A008);  // 设置PLL旁路

Boot模式检测

启动模式由MIO[5:2]引脚决定：

MIO[5:2]	启动模式	时钟频率	数据宽度
0000	JTAG	-	-
0010	NAND	33MHz	8-bit
0011	NOR	50MHz	16-bit
0101	QSPI	100MHz	4-bit
0110	SD	50MHz	4-bit

注：模式引脚在POR_B上升沿被采样锁定

BootROM阶段（Stage-0）

BootROM

BootROM 代码是在 Zynq 器件上上电或复位后最先执行的软件。它从地址 0xFFFF_0000 开始执行。 BootROM 对用户不可访问。BootROM代码存放片内ROM当中，所以叫做BootROM。因为ZYNQ内部包含256K RAM 以及128K ROM。所以BootROM代码可以固化在ROM当中，并且在掉电情况下不会丢失。一般情况下，芯片内部的ROM都是Nor Flash。NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。是固化在芯片中的 ROM，无法修改。

BootROM 代码执行以下功能：

初始化 PS 内部硬件。
从启动介质读取 BOOT.BIN 的头部与 FSBL。
读取启动模式引脚并确定启动设备。
初始化时钟和外设。
从选定的启动设备中读取启动镜像。
解析镜像头并检查其有效性。
将 FSBL 分区加载至 OCM。
将控制权交给 FSBL。

在Sd卡启动方式下，BootROM代码的运行流程:

初始化MI0引脚，主要配置MIO引脚的物理特性配置寄存器；重点是将MIO40~MIO45复用为SD0外设所对应的CLK/CMD/DATA引脚。
初始化SD卡外设，驱动SD卡，可以实现sD卡读写操作。
对SD卡读写进行测试。
从SD卡文件系统当中读取BOOT. BIN文件，并对BootROM头进行解析。在BOOT.BIN文件前面有一段头部信息，这个头部信息是按照一-定的格式组组织在一起，在这个头部信息当中就包括了fsbl的加载地址、fsbl的大小以及fsbl在BOOT. BIN文件中的位置偏移量。BootROM代码能够解析这个头部信息
得到fsbl代码的大小和位置偏移量以及加载地址之后，BootROM代码就会从BOOT.BIN文件中。将fsbl代码拷贝到RAM内存中，并且跳转到fsbl代码的运行地址去启动fsbl。

自此，BootROM就成功启动了FSBL代码了。

QSPI加载方式启动流程

在QSPI启动方式下，BootROM代码的运行流程:

初始化MIO引脚，将相关的MIO引脚复用为QSPI外设所需的引脚功能。
初始化QSPI外设，驱动QSPI Flash设备，可以实现QSPI读写操作。
对QSPI进行读写测试。
从QSPI存储介质中读取BOOT. BIN文件，并对Boot ROM头进行解析。
得到fsbl代码的大小和位置偏移量以及加载地址之后，BootROM代码就会从BOOT.BIN文件中。将fsbl代码拷贝到RAM内存中，并且跳转到fsbl代码的运行地址去启动fsbl。

不同于SD卡的文件系统的搜索方式，在QSPI启动方式下，BootROM代码首先会从QSPI的0x000000地址去找BOOT . BIN文件，如果找不到那么就去下一个地址0x008000，如果还找不到他又会跳转到下一个地址0x10000，但是搜索范围不能超出QSPI的前面16MB地址空间。

BOOT.BIN 文件结构

BOOT.BIN是ZYNQ 7000系列SoC的核心启动镜像文件（启动镜像就是一个包含系统启动所需多个程序或数据的打包文件，通常是一个二进制文件，用于引导系统从上电到操作系统启动的整个过程。在 Zynq 中：启动镜像通常是 BOOT.BIN 文件，BOOT.BIN是整个系统启动的核心文件，必须放在 Zynq 启动设备的起始位置,它被 Zynq 的 ROM 引导代码从 QSPI、SD 卡或 NAND 中读取并执行。），由Bootgen工具根据 .bif 文件打包生成，包含完整的启动链所需的所有组件。例如：


xxxxxxxxxx
bif
the_ROM_image:
{
    [bootloader] fsbl.elf         // 第一分区：FSBL，必须第一个
    system.bit                    // 第二分区：FPGA 配置文件（可选）
    u-boot.elf                    // 第三分区：第二阶段引导加载器
}

上述中：

分区顺序	内容	作用
1	`fsbl.elf`	第一阶段引导加载器，初始化硬件和DDR
2	`system.bit`	配置 PL（FPGA 部分）
3	`u-boot.elf`	第二阶段引导，启动 Linux或其他应用程序

文件整体结构


xxxxxxxxxx
┌───────────────────────┐
│       Boot Header     │ → 固定格式头(256字节)
├───────────────────────┤
│  Partition Header Table│ → 每个分区描述(20字节/条目)
├───────────────────────┤
│     FSBL (必选)       │ → 第一阶段引导程序
├───────────────────────┤
│   Bitstream (可选)    │ → PL配置数据
├───────────────────────┤
│ SSBL/应用 (可选)      │ → U-Boot/Linux内核，应用程序等
├───────────────────────┤
│  认证证书 (可选)      │ → RSA签名/AES加密数据
└───────────────────────┘

Boot Header详解

BOOT.BIN头是BOOT.BIN文件前面的一段头部数据，并且这个头部数据是按照一定格式组织在一起的，并且该头部数据能够被BootROM代码所解析。BootROM 会读取启动镜像中的 Boot Header 来获取关于镜像的信息，例如：

FSBL 的起始地址。
加密密钥的来源。
FSBL 的大小。
FSBL的偏移量
用于验证头部完整性的校验和。

Boot Header 必须存在且格式正确。否则，BootROM 不会加载 FSBL。

VeryCapture_20250606155931

VeryCapture_20250606155955

在BOOT.bin文件中从地址0-0x8FF可以分成17个部分，每个部分都有一定的含义。

0x000：中断向量表。
0x020：固定值0xaa995566（小端）。
0x024：固定值0x584c4e58 ASCII: XLNX。
0x028：如果是0xa5c3c5a3或者0x3a5c3c5a为加密的。
0x02C：BootROM头版本号，不用管。
0x030：此参数包含从有效bootrom头开始到fslb/用户代码映像所在位置的字节数，也就是 FSBL/用户代码的地址偏移量。该地址偏移量必须要大于等于0x8C0。
0x034：记录fsbl的长度，用于指导BootROM代码拷贝 fsbl 长度。
0x038：将FSBL拷贝到OCM的什么位置一般为0x0，加载地址，指导BootROM代码拷贝FSBL到RAM的哪个位置。
0x03C：FSBL在OCM中的运行地址一般定义为0x0，运行地址，指导BootROM代码跳转到RAM哪个地址去运行。
0x040：记录FSBL的长度。
0x044：为固定值0x01。
0x048：校验和（将Ox020-0x047之间的数据按32bit长度进行相加，并取反即可!若相加之后的数据大小超过32bit,则取低32bit 数据进行取反)。
0x04C-0x097：fsbl/用户代码自定义，不需要的话可以全部填充为0。
0x098：image header table位置偏移量。
0x09C：partition header table 的所在位置。
0x0A0-0x89F：寄存器初始化的参数。

17.0x8C0：FSBL、用户代码必须要等于或高于此地址。

BOOT.BIN有关代码及分析：

在0x034地址处可以查看FSBL的长度：
在0x000-0x01F地址处可查看中断向量表的入口地址：
在0x020地址处可查看固定值：

VeryCapture_20250606162018

BootROM代码执行

初始PC指针

ARM Cortex-A9从地址0x00000000开始执行
前64KB为BootROM镜像（只读）

关键操作序列：

FSBL加载机制

镜像头部结构：


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    uint32_t width_detection;  // 0xAA995566
    uint32_t image_offset;     // FSBL偏移量
    uint32_t image_size;       // 最大192KB
    uint32_t reserved[5];
    uint32_t checksum;         // 头校验和
} boot_header;

OCM内存映射：

地址范围	用途	大小
0x0000_0000	BootROM	64KB
0x0000_FFFC	启动状态寄存器	4B
0xFFFF_0000	FSBL加载区域	192KB

FSBL阶段（Stage-1）

初始化流程

PS配置顺序：

初始化DDR控制器
配置MIO引脚复用
设置系统时钟
使能中断控制器

FSBL 的核心作用

FSBL 是 Zynq 启动流程中的 第一阶段引导程序，由 BootROM 直接加载并执行，主要功能包括：

初始化硬件：配置 DDR 内存、时钟、MIO（多功能 IO）等基础外设。
解析 BOOT.BIN：读取镜像中的分区表（Partition Header Table），识别各分区（如 Bitstream、SSBL、应用程序等）。
加载后续镜像：将第二阶段的程序（如 U-Boot、裸机应用、Linux 内核）拷贝到指定内存地址。
可选加载 PL 配置：如果存在 FPGA Bitstream，FSBL 会将其配置到 PL（Programmable Logic）部分。

FSBL 如何加载应用工程？

场景 1：裸机应用（Standalone）

BOOT.BIN 结构：


xxxxxxxxxx
BOOT.BIN = FSBL + Bitstream（可选） + 应用程序（.elf）

流程：
1. BootROM 加载 FSBL 到 OCM（On-Chip Memory）并执行。
2. FSBL 初始化 DDR，将应用程序（如 application.elf）从 Flash/QSPI/SD 卡加载到 DDR 中的指定地址（链接脚本定义，如 0x00100000）。
3. FSBL 跳转到应用程序的入口地址（通常是 _start 或 main）。
场景 2：运行 Linux（通过 U-Boot）

BOOT.BIN 结构：


xxxxxxxxxx
BOOT.BIN = FSBL + Bitstream（可选） + U-Boot

流程：
1. FSBL 加载 U-Boot（SSBL）到 DDR。
2. U-Boot 进一步加载 Linux 内核（uImage）、设备树（.dtb）、根文件系统（如 rootfs.cpio）到内存。
3. U-Boot 启动内核，此时 FSBL 已退出，不再参与后续流程。
场景 3：直接加载 Linux（无 U-Boot）
少数情况下，FSBL 可直接加载 Linux 内核（需配置为 kernel.img 格式），但通常推荐使用 U-Boot 作为中介。

FSBL 与应用程序的交互

无操作系统时：FSBL 直接跳转到应用程序，不返回。
有 U-Boot 时：FSBL 仅负责加载 U-Boot，由 U-Boot 处理后续启动。

PL配置

比特流加载流程：

通过PCAP接口传输
使用DMA加速（典型吞吐量400Mbps）

状态检查：


xxxxxxxxxx
#define PCAP_STATUS 0xF8007080
#define PCAP_PROG_B 0xF80070F0

void load_bitstream(uint32_t* addr, uint32_t size) {
    writel(PCAP_PROG_B, 0x0);  // 断言PROG_B
    delay(100);
    writel(PCAP_PROG_B, 0x1);  // 释放PROG_B
    
    while(size > 0) {
        uint32_t data = *addr++;
        writel(PCAP_DATA, data);
        size -= 4;
        
        while(readl(PCAP_STATUS) & 0x4); // 等待DMA就绪
    }
}

配置时间估算：

比特流大小	配置时间（100MHz）
1MB	80ms
5MB	400ms
10MB	800ms

通过BOOT.BIN如何找到U-Boot和 Bitstream

BOOT.BIN文件当中包含了FSBL镜像、u-boot镜像以及bitstream 文件。

BootROM代码需要通过解析BOOT.BIN头部信息去找到FSBL。BootROM代码去启动FSBL。

FSBL代码运行之后，要负责从 BOOT.BIN文件中找到U-Boot镜像和 bitstream文件，然后把 bitstream文件加载到ZYNQ PL端，然后要启动U-Boot。

这里需要涉及到三个数据表:

image headelr table；
partition header table；
image header。

Image Headelr Table

image header table 只有一个，partition header table和 image header是成对出现的。BOOT.BIN 文件中包含了多少个镜像，那么就有多少对partition header table 和 imageheader。

VeryCapture_20250609091441

0x00：image header table 的版本号；
ox04：image header的数量；
0x08：第一个Partition Header table的位置偏移量。这里是以word为单位计算的，所以实际的偏移量需要乘上一个4；
0x0C：第一个Image Header的位置偏移量。采用了word 度量单位；
0x10：header authentication 的偏移量。采用了word为度量单位;
0x1C：使用0xFFFFFFFF进行填充，直到整个image header table的大小为64字节。

Image Header

VeryCapture_20250609091458

0x0：下一个limage header 的地址偏移量，如果这里填充为0，则表示这是最后一个image header;
0x4：与之相关联的partition header table 的位置偏移量；
0x8：该地址总是0；
0xC：实际分区计数的值；
0x10-N：记录镜像名称。
varies：用于填充。

Partition Header Table

VeryCapture_20250609091702

VeryCapture_20250609091715

0x0:加密分区的数据长度;单位是字计算时必须要乘上4；
0x4:未加密分区的数据长度，如该分区是u-boot，则指示了u-boot的长度，计算同上;
0x8:加密+填充+扩展+身份验证的数据总长度；
0xC:该分区数据的加载地址，指的是该分区数据需要拷贝到内存的什么位置；
0x10:该分区数据的运行地址，指运行该分区代码时需要跳转到那个内存地址；
0x14:该分区数据在BOOT.BIN文件中的位置偏移量,拷贝的时候就是从该地址进行拷贝的；
0x18:属性位；
0x1C: Section计数；
0x20:校验和字段的位置；
0x24:该partition header table所对应的 image header所在位置。以 word字为单位；
0x28:加密相关的字段；
0x2C-0x38:未定义；
0x3C:校验和。

Image Header Table、Partition Header Table 和 Image Header 三个关键数据结构层级关系和功能

层级结构

VeryCapture_20250609102303

详细说明

Image Header（镜像头）

作用：描述整个启动镜像的全局属性。

典型字段：


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    uint32_t magic;          // 魔数（如"XNLX"）
    uint32_t version;        // 镜像版本
    uint32_t partition_num;  // 分区数量
    uint32_t header_checksum;// 头校验和
} ImageHeader;

存储位置：镜像文件的起始位置。

Image Header Table（镜像头表）

作用：索引所有分区的元数据（非分区数据本身）。
内容：
- 每个分区的 偏移量（offset）、大小（size）、加载地址（load_addr）
- 分区认证证书的指针

示例：


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    uint32_t partition_offset;  // 分区数据在镜像中的偏移
    uint32_t partition_size;
    uint32_t load_address;      // 加载到内存的地址
    uint32_t attribute_word;    // 分区属性（加密/认证等）
} ImageHeaderTableEntry;

Partition Header Table（分区头表）

作用：描述单个分区的详细属性。

典型字段：


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    uint32_t exec_address;   // 执行入口地址
    uint32_t auth_cert_offset; // 认证证书偏移
    uint8_t  hash[32];       // 分区哈希值
    uint8_t  reserved[16];
} PartitionHeaderTable;

关键差异：
- 每个分区独立拥有一个分区头表
- 包含分区专属的安全信息（如哈希、证书）

工作流程

BootROM 读取 Image Header 验证镜像完整性。

FSBL 解析 Image Header Table 定位所有分区。

对每个分区：

通过 Partition Header Table 验证分区合法性（RSA/哈希）。
按 Image Header Table 中的地址加载到内存。

FSBL (First Stage Boot Loader) 源码深度分析

FSBL 整体架构与启动流程

FSBL 是 ZYNQ 平台上电后执行的第一个用户可编程代码，主要负责硬件初始化和加载下一阶段引导程序。其核心架构如下：

核心代码模块分析

硬件初始化 (`main()` 函数)


xxxxxxxxxx
int main(void) {
    // 1. PS7初始化（MIO/PLL/时钟/DDR）
    Status = ps7_init();
    
    // 2. 解锁SLCR寄存器
    SlcrUnlock();
    
    // 3. 缓存处理
    Xil_DCacheFlush();
    Xil_DCacheDisable();
    
    // 4. 异常处理注册
    RegisterHandlers();
    
    // 5. 外设初始化（根据启动模式）
    switch(BootModeRegister) {
        case QSPI_MODE: InitQspi();
        case NAND_MODE: InitNand();
        case SD_MODE: InitSD();
        // ...
    }
    
    // 6. 加载启动镜像
    HandoffAddress = LoadBootImage();
    
    // 7. 移交控制权
    FsblHandoff(HandoffAddress);
}

启动镜像加载 (`LoadBootImage()`)


xxxxxxxxxx
u32 LoadBootImage(void) {
    // 1. 获取启动状态和多启动寄存器值
    RebootStatusRegister = Xil_In32(REBOOT_STATUS_REG);
    MultiBootReg = Xil_In32(XDCFG_MULTIBOOT_ADDR_OFFSET);
    
    // 2. 获取镜像起始地址
    ImageStartAddress = ComputeImageStart();
    
    // 3. 获取分区头信息
    Status = GetPartitionHeaderInfo(ImageStartAddress);
    
    // 4. 分区处理循环
    while (PartitionNum < PartitionCount) {
        // - 验证分区头
        Status = ValidateHeader(HeaderPtr);
        
        // - 加载分区数据
        Status = PartitionMove(ImageStartAddress, HeaderPtr);
        
        // - 安全验证（RSA/校验和）
        if (SignedPartitionFlag) {
            Status = AuthenticatePartition(...);
        }
        
        // - PL比特流处理
        if (PLPartitionFlag) {
            Status = PcapLoadPartition(...);
        }
        
        PartitionNum++;
    }
    
    return ExecAddress; // 返回移交地址
}

关键数据结构

分区头结构 (`PartHeader`)


xxxxxxxxxx
typedef struct {
    u32 image_word_len;    // 镜像中的分区长度（字）
    u32 data_word_len;     // 实际数据长度（字）
    u32 partition_word_len;// 分区总长度（字）
    u32 load_addr;         // 加载地址（DDR）
    u32 exec_addr;         // 执行地址
    u32 partition_offset;  // 分区在镜像中的偏移
    u32 attribute;         // 属性字（加密/签名等）
    u32 checksum;          // 分区头校验和
} PartHeader;

属性字位掩码


xxxxxxxxxx
#define ATTRIBUTE_PL_IMAGE_MASK     0x20    // PL比特流分区
#define ATTRIBUTE_PS_IMAGE_MASK     0x10    // PS代码分区
#define ATTRIBUTE_RSA_PRESENT_MASK  0x8000  // RSA签名存在
#define ATTRIBUTE_PARTITION_OWNER_MASK 0x30000 // 分区所有者

安全机制实现

安全启动流程

关键安全函数


xxxxxxxxxx
// RSA签名验证
Status AuthenticatePartition(u8 *PartitionStart, u32 Length) {
    // 1. 验证签名
    if (XSecure_RsaVerify(...) != XST_SUCCESS) {
        return XST_FAILURE;
    }
    // 2. 检查哈希
    if (ValidateHash(...) != XST_SUCCESS) {
        return XST_FAILURE;
    }
    return XST_SUCCESS;
}

// 加密分区解密
Status DecryptPartition(u32 Addr, u32 DataLen, u32 ImgLen) {
    // 使用AES引擎解密
    XDcfg_AesDecrypt(...);
}

第二阶段引导（Stage-2）

U-Boot加载

内存布局示例：


xxxxxxxxxx
0x00000000 - 0x0003FFFF: BootROM + FSBL
0x00100000 - 0x001FFFFF: U-Boot
0x00200000 - 0x002FFFFF: 设备树
0x03000000 - 0x04000000: Linux内核
0x08000000 - : 根文件系统

U-Boot环境变量：


xxxxxxxxxx
setenv bootargs 'console=ttyPS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw earlyprintk'
setenv loadaddr 0x03000000
setenv fdtaddr 0x00200000
bootm ${loadaddr} - ${fdtaddr}

安全启动实现

认证流程

RSA验证步骤：

AES解密流程：

使用BBRAM或eFUSE存储密钥
CBC模式，256位密钥
每个分区独立IV向量

高级功能

多镜像启动（Multiboot）

寄存器配置：


xxxxxxxxxx
#define MULTIBOOT_REG 0xF8000258
void set_multiboot(uint32_t offset) {
    uint32_t val = (offset >> 17) & 0x3FF;  // 转换为128KB块
    writel(MULTIBOOT_REG, val | 0x1);      // 使能位
}

Flash布局示例：


xxxxxxxxxx
0x000000: Golden Image (备份)
0x100000: 主镜像v1.0
0x200000: 主镜像v2.0
0x300000: 诊断镜像

调试与优化

常见问题排查

启动失败诊断：

现象	可能原因	解决方法
卡在BootROM	启动设备检测失败	检查MIO引脚配置
FSBL加载失败	OCM空间不足	优化FSBL大小<192KB
PL配置超时	PCAP接口时钟未使能	检查SLCR寄存器配置

性能优化技巧：

启用QSPI的DMA传输（设置QSPI_CR[3]=1）
使用XIP(Execute-In-Place)模式运行FSBL
压缩比特流（通过BITSTREAM.CONFIG.COMPRESS）

附录

关键寄存器参考

SLCR寄存器：


xxxxxxxxxx
0xF8000000 - 系统级控制寄存器
0xF8000B00 - MIO引脚控制
0xF8000D00 - 时钟控制

DevCfg寄存器：


xxxxxxxxxx
0xF8007000 - PCAP控制
0xF8007030 - 安全配置
0xF80070A0 - 多镜像控制

官方文档参考

UG585: Zynq-7000 Technical Reference Manual
UG821: Zynq-7000 Software Developers Guide
UG873: Embedded Design Tutorial
XAPP1175: Secure Boot of Zynq-7000 SoC