Zynq FPGA UART程序固化完整流程文档

一、概述

本文档详细记录了将UART循环打印程序固化到Zynq FPGA开发板的完整流程。通过FSBL（First Stage Boot Loader）引导程序，实现上电后自动运行UART打印程序。

二、固化前准备

2.1 硬件准备

• Zynq开发板（如ZedBoard、ZCU102等）
• USB-JTAG下载器
• USB转串口线
• 存储介质（SD卡或QSPI Flash）
• 电源适配器

2.2 软件准备

• Vivado Design Suite（包含Vitis）
• 串口调试助手（如Putty、SecureCRT）
• 硬件描述文件（.xsa文件）

三、文件系统结构

3.1 所需文件清单

text

固化项目/ ├── fsbl_platform/ # FSBL平台工程 ├── uart_app/ # UART应用程序工程 ├── hardware/ │ └── system.bit # 硬件比特流文件 └── output/ ├── fsbl.elf # FSBL引导程序 ├── uart_app.elf # UART应用程序 ├── system.bit # 硬件比特流 ├── boot.bif # 引导镜像描述文件 └── boot.bin # 最终固化文件

3.2 文件说明

四、详细操作步骤

4.1 步骤1：创建FSBL引导程序

4.1.1 在Vitis中创建Platform Project

1. 打开Vitis软件
2. File → New → Platform Project
3. 输入项目名称：fsbl_platform
4. 选择硬件描述文件（.xsa文件）
5. 点击Finish

4.1.2 编译FSBL

1. 在Project Explorer中右键点击fsbl_platform
2. 选择Build Project
3. 等待编译完成

4.1.3 获取fsbl.elf文件

编译完成后，文件位于：

text

fsbl_platform/export/fsbl_platform/sw/fsbl_platform/boot/fsbl.elf

4.2 步骤2：创建UART应用程序

4.2.1 创建Application Project

1. File → New → Application Project
2. 项目名称：uart_app
3. 选择平台：fsbl_platform
4. 选择模板：Hello World（自动生成main.c）
5. 点击Finish

4.2.2 替换代码

1. 打开 uart_app/src/main.c
2. 删除原有代码，粘贴以下UART测试代码：

c

#include <stdio.h> #include "xil_printf.h" #include "xil_types.h" #include "xparameters.h" #include "xuartps.h" // 全局变量 XUartPs UartInst; u8 data_buffer[64]; u32 counter = 0; // 初始化UART int init_uart() { XUartPs_Config *Config; int Status; // 查找UART配置 Config = XUartPs_LookupConfig(XPAR_PS7_UART_0_DEVICE_ID); if (Config == NULL) { return XST_FAILURE; } // 初始化UART Status = XUartPs_CfgInitialize(&UartInst, Config, Config->BaseAddress); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; } // 设置波特率115200 XUartPs_SetBaudRate(&UartInst, 115200); // 自检 Status = XUartPs_SelfTest(&UartInst); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; } return XST_SUCCESS; } // 主函数 int main() { int i; // 初始化UART if (init_uart() != XST_SUCCESS) { return -1; } // 发送启动信息 XUartPs_Send(&UartInst, (u8*)"\r\n=== UART Test Application ===\r\n", 34); XUartPs_Send(&UartInst, (u8*)"Starting continuous transmission...\r\n", 39); // 主循环 while (1) { // 填充数据 for (i = 0; i < 64; i++) { data_buffer[i] = (counter + i) & 0xFF; } counter++; // 发送数据 XUartPs_Send(&UartInst, data_buffer, 64); // 发送换行 XUartPs_Send(&UartInst, (u8*)"\r\n", 2); // 延时约1秒 for (i = 0; i < 10000000; i++); } return 0; }

4.2.3 验证链接地址

1. 打开 uart_app/lscript.ld 链接脚本
2. 确认关键配置：ldMEMORY { ps7_ddr_0 : ORIGIN = 0x00100000, LENGTH = 0x1FF00000 /* ... */ } .text : { *(.text) } > ps7_ddr_0 /* 确保.text段在DDR中 */
3. 关键点：应用程序起始地址必须是 0x00100000

4.2.4 编译应用程序

1. 右键点击 uart_app 项目
2. 选择 Build Project
3. 验证编译成功（无错误）

4.3 步骤3：验证应用程序地址

4.3.1 方法一：使用objdump命令

bash

# 在Vitis Terminal中执行 arm-none-eabi-objdump -h uart_app.elf | grep ".text"

正确输出示例：

text

.text 00000500 00100000 00100000 00001000 2**2

关键检查：第三列（VMA）必须是 00100000

4.3.2 方法二：查看.map文件

1. 打开 uart_app/Debug/uart_app.map
2. 搜索 .text 查看地址

4.4 步骤4：生成BOOT.BIN文件

4.4.1 准备三个必需文件

1. fsbl.elf - 从FSBL项目复制
2. system.bit - 从Vivado硬件工程导出
3. uart_app.elf - 从UART项目编译得到

将三个文件复制到同一目录（如 output/）

4.4.2 创建BIF描述文件

在 output/ 目录下创建 boot.bif 文件，内容：

text

the_ROM_image: { [bootloader] fsbl.elf system.bit uart_app.elf }

4.4.3 生成BOOT.BIN

方法A：使用Vitis GUI

1. 菜单栏：Xilinx → Create Boot Image
2. 点击 Add 依次添加：
   • fsbl.elf（类型选择 bootloader）
   • system.bit
   • uart_app.elf
3. 设置输出路径
4. 点击 Create Image

方法B：使用命令行

bash

cd output bootgen -image boot.bif -arch zynq -o boot.bin -w on

4.4.4 验证生成结果

• 生成的文件：boot.bin
• 文件大小：约3-5MB
• 如果失败，检查文件顺序和类型设置

4.5 步骤5：烧写到存储设备

4.5.1 方法一：SD卡启动（测试用）

1. 格式化SD卡为FAT32格式
2. 复制boot.bin到SD卡根目录
3. 设置开发板为SD卡启动模式（跳线设置）
4. 插入SD卡，连接串口线
5. 上电启动

4.5.2 方法二：QSPI Flash固化（永久）

1. 连接JTAG和串口线
2. 打开Vivado → Hardware Manager
3. Open Target → Auto Connect
4. 右键开发板 → Add Configuration Memory Device
5. 选择Flash型号（常见：mt25ql256aba）
6. 选择 boot.bin 文件
7. 点击 Program，等待完成
8. 重要：烧写完成后
   • 断开JTAG
   • 关闭电源
   • 设置为QSPI启动模式
   • 重新上电

4.6 步骤6：测试验证

4.6.1 串口设置

• 串口软件：Putty/SecureCRT
• 波特率：115200
• 数据位：8
• 停止位：1
• 校验位：None
• 流控制：None

4.6.2 预期输出

上电后串口应输出：

text

=== UART Test Application === Starting continuous transmission... [然后是连续的十六进制数据]

4.6.3 成功标志

• 上电后自动运行，无需JTAG
• 串口连续输出数据
• 断电重启后仍然正常运行

五、故障排除

5.1 常见问题及解决

5.2 调试技巧

5.2.1 添加调试信息

在应用程序开头添加：

c

// 在main函数开始处 XUartPs_Send(&UartInst, (u8*)"App Started!\r\n", 14);

5.2.2 验证硬件连接

c

// 强制发送测试字符 volatile u32 *uart = (u32*)0xE0001000; *uart = 'A';

5.3 关键检查点清单

• FSBL编译成功（fsbl.elf存在）
• 应用程序编译成功（uart_app.elf存在）
• 应用程序起始地址为0x00100000
• boot.bif文件顺序正确
• boot.bin生成成功
• SD卡为FAT32格式
• boot.bin在SD卡根目录
• 开发板启动模式正确
• 串口波特率115200
• 串口线TX/RX连接正确

六、进阶配置

6.1 修改启动延时

在FSBL中可修改启动延时，给用户中断引导的机会：

c

// 在fsbl_main.c中添加 int timeout = 3; // 3秒延时 while (timeout-- > 0 && !CheckUartInput()) { fsbl_printf("Booting in %d seconds...\r\n", timeout); Delay(1000); }

6.2 多应用程序支持

可通过修改FSBL实现多应用程序选择：

c

// 根据按键选择不同应用 if (ReadBootPin() == 0) { // 启动UART测试程序 HandoffAddress = 0x00100000; } else { // 启动其他应用程序 HandoffAddress = 0x00200000; }

6.3 安全性增强

• 添加应用程序校验和验证
• 实现安全启动流程
• 加密固件保护

七、注意事项

7.1 重要提醒

1. 不要修改FSBL的跳转逻辑，除非你完全理解其工作原理
2. 应用程序不能使用地址0x00000000-0x000FFFFF区域（FSBL使用）
3. 固化前务必先用SD卡测试，确认程序能正常运行
4. QSPI Flash烧写后必须断电重启，不能热复位

7.2 文件管理建议

1. 保留每个版本的.elf和.bin文件
2. 记录每次固化的配置参数
3. 使用版本控制系统管理源码

7.3 性能优化

1. 减少启动时间：优化应用程序初始化代码
2. 减小固件大小：移除不必要的库和代码
3. 提高可靠性：添加看门狗和错误恢复机制

八、附录

8.1 相关命令参考

bash

# 查看ELF文件信息 arm-none-eabi-objdump -h file.elf arm-none-eabi-readelf -a file.elf # 生成反汇编代码 arm-none-eabi-objdump -d file.elf > disassembly.txt # 查看文件大小 arm-none-eabi-size file.elf

8.2 常用内存地址

8.3 开发板启动模式设置

文档版本: 1.0
最后更新: 2026年01月
适用平台: Xilinx Zynq-7000系列
注意事项: 本流程基于Vitis 2019.2版本，其他版本可能略有差异