Zynq 学习笔记（4）Linux FPGA Manager

Xilinx Zynq 是Arm 处理器（PS）和FPGA (PL) 相结合的混合SOC。如何通过程序下载PL的bit 文件，特别是下载局部重构分区的bit 文件是我关心的话题。不过涉及这方面的文档实在是太多，太复杂了。PCAP，ICAP 等概念一大堆。而网络上的文章大多是介绍操作流程，介绍背景知识的文章非常少。本文记录一些自己的读书笔记，目的是介绍一些“基本知识”和经过自己尝试的过程。

其实在Zynq 的Linux环境下，PL 的bit文件下载变得非常简单，甚至于不需要编写程序，只要使用shell 命令就能轻松地完成。它有两种编程方式：

通过FSBL（First Stage Boot-loader), U-Boot 在引导时写入
通过Linux FPGA Manager 在系统引导后写入

Linux FPGA Manager

FPGA 管理器是linux内核一部分（我也是第一次发现，被惊呆了），它导出一组函数，用于使用映像（image）对 FPGA进行编程。它们的API 与制造商无关。所有制造商的细节都隐藏在一个低级驱动程序中，该驱动程序向内核注册了一组操作。FPGA 图像数据本身是非常特定于制造商的，但对我们而言，它只是二进制数据。FPGA 管理器内核不会解析它。

下图是Xilinx ZYNQ Linux FPGA Manager 的架构。

从上图看，FPGA Manager Driver 的底层是XIlinx FPGA 的Driver。实际上，Linux FPGA Manager 也支持altera 的Arria-V/Cyclone-V/Stratix-V和Arria-10 FPGA 。只要安装了Altera 的相关驱动就可以。在这里，我们只讨论Xilinx Zynq Linux 的FPGA 管理。

下载流程

第一步：design_1_wrapper.bit 转换成为design_1_wrapper.bit.bin 文件

vivado 中点击 Generate bitsstream。

它将会在项目的….runs\impl_ 的目录下产生一个design_1_wrapper.bit文件。

这个文件不能直接地下载到FPGA 中。需要将design_1_wrapper.bit 转换成为design_1_wrapper.bit.bin 文件。具体的步骤如下：

1 在 C:\Users\asus\AppData\Roaming\Xilinx\Vivado 目录下构建Full_Bitstream.bif文件

它的内容是：

all:
{F:\workspace\petalinux_gpio\petalinux_gpio.runs\impl_1\design_1_wrapper.bit /* Bitstream file name */
}

我相信将Full_Bitsstream.bif 构建在impl_1 目录中，只要在下面的命令中使用绝对路径，也是OK的。

2 在vivado 的Tsl Consol 下输入下列命令：

bootgen -image Full_Bitstream.bif -arch zynq -process_bitstream bin

vivado 的界面为：

bootgen -image Full_Bitstream.bif -arch zynq -process_bitstream bin
WARNING: [Common 17-259] Unknown Tcl command 'bootgen -image Full_Bitstream.bif -arch zynq -process_bitstream bin' sending command to the OS shell for execution. It is recommended to use 'exec' to send the command to the OS shell.****** Xilinx Bootgen v2021.2**** Build date : Oct 19 2021-03:13:27** Copyright 1986-2021 Xilinx, Inc. All Rights Reserved.[INFO]   : Bootimage generated successfully

注意：网络上也有人建议在vivado 的项目的setting 中 bitstream 中勾选 bit file 。但是我好像没有尝试成功。

完成之后，会在F:\workspace\petalinux_gpio\petalinux_gpio.runs\impl_1目录下产生一个design_1_wrapper.bit.bin 文件。

3 将这个文件Copy 到 SDCard 上。

4 将sdcard 插入开发板的sd card 卡座上，上电启动。进行下面的操作

第二步：在ZYNQ 的Petalinux 命令行中完成下载

全部Bits流的下载步骤

Set flags for Full Bitstream

echo 0 > /sys/class/fpga_manager/fpga0/flags

加载SD 卡

mount /dev/mmcblk0 /media/

载入bitstream

mkdir -p /lib/firmware

cp /media/design_1_wrapper.bit.bin /lib/firmware/

echo design_1_wrapper.bit.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware

局部bits 流的编程步骤

Set flags for Partial Bitstream

echo 1 > /sys/class/fpga_manager/fpga0/flags

Load the Bitstream Partial Bitstream

mkdir -p /lib/firmware

cp /media/partail_wrapper.bit.bin /lib/firmware/

echo partail_wrapper.bit.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware

下面是我操作的记录

root@petalinux_gpio:~# echo 0 > /sys/class/fpga_manager/fpga0/flags
root@petalinux_gpio:~# mount /dev/mmcblk0 /media/
root@petalinux_gpio:~# mkdir -p /lib/firmware
root@petalinux_gpio:~# cp /media/design_1_wrapper.bit.bin /lib/firmware/design_1_
_wrapper.bit.bin
root@petalinux_gpio:~# echo design_1_wrapper.bit.bin > /sys/class/fpga_manager/fp
pga0/firmware
fpga_manager fpga0: writing design_1_wrapper.bit.bin to Xilinx Zynq FPGA Manager
root@petalinux_gpio:~#

注意：如果没有将design_1_wrapper.bit 转换成为design_1_wrapper.bit.bin 文件，上述流程会出错！

root@petalinux_gpio:~# echo system_wrapper.bit > /sys/class/fpga_manager/fpga0/fi irmware
fpga_manager fpga0: writing system_wrapper.bit to Xilinx Zynq FPGA Manager
fpga_manager fpga0: Invalid bitstream, could not find a sync word. Bitstream must be a byte swapped .bin file
fpga_manager fpga0: Error preparing FPGA for writing
-sh: echo: write error: Invalid argument