FPGA - Zynq - 加载 - FSBL源码解析1

  • 前文回顾
  • FSBL的数据段和代码段如何链接
    • 建个Example工程，不要光顾着看，自己动动手掌握的更快。
    • 查看链接文件，原来存储空间是这样有条不紊的被分配
  • ARM要开始运行FSBL了，然而并不是main()
  • 终于要开始进入main()了，激动不？
  • 小节

前文回顾

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上一篇博客介绍了BootROM是如果搜索并利用BootROM Header来加载FSBL到OCM（on chip memory），最后将cpu的控制权交给FSBL。那么后续关于加载的研究就来到了FSBL的源码解析上，可能一篇博客写不完，会分成好几个小节来全面解析。 敬请期待，接下来话不多说，让我们把注意力集中到FSBL本身。

FSBL的数据段和代码段如何链接

搞懂数据段和代码段是如何被链接成一个二进制文件的，这应该是每一个ARM程序员必须搞清楚的一个事情。它会帮助程序员更加透彻的知道ARM是怎么被安排去工作的，所以数据段你和代码段如何链接在一起，是我们搞懂FSBL的第一步。

建个Example工程，不要光顾着看，自己动动手掌握的更快。

要回答这个问题其实必须要建一个工程，相关的软件操作流程可以参考各种开发板的实验手册，我这里见得描述一下：

  1. 现在VIVADO里面新建一个PL工程，可以自己搭，也可以用范例，本小节所涉及的PL来自范例，如下所示，整个PL实际上由：

    1.1 ARM部分（硬核+外设），如图中所示的processing_system，其中就包含了除APU以外，还有DDR，以及FIXED_IO。 DDR好理解，就是连接外部DDR存储器呗，那这个FIXED_IO是个啥呢？这个实际上就是arm的外设，包含了Q-spi的必要引脚，也包括了Debug Info所需的串口。总而言之都是ARM的外设

    1.2 复位部分，看名字就很好理解，该模块专门用于所以Zynq的PL部分部件的复位

    1.3 AXI Interconnect，这个模块非常重要，简单地说这就是一个总线解析器，一主（一个master AXI4）多从（两个slave AXI4）。我们之前提到过，AXI4将会用于连接Zynq的PS（ARM部分）和PL（FPGA部分），这里就是一个例子，后面每一个Slave AXI4都连着一个 Xilinx 的IP，或者是用户自定义的具备AXI4的IP。这样就简单了，只要用户定义的IP包含AXI4接口，同时将必要的可读或者可写数据映射到这个AXI4接口上，那么Zynq的ARM就能够通过总线接触到这些映射到总线上的数据，it means the ARM could read/write its content mapped on the Bus of AXI4.

    1.4 AXI GPIO & AXI BRAM Controller, 这两个就是上述的Xilinx的IP，自带有AXI4总线接口，这样ARM就能够通过总线解析器控制他们
    1.5 实际的应用，其实也不会比这个在复杂太多，只是再加一些自定义的IP

  2. 利用这个范例，我们进一步建立BSP，然后基于BSP建立APP（用户程序），以及FSBL（范例，Zynq的加载程序），如下图所示，其包含了app, bsp, platform, fsbl。通过任何一个开发版的用户手册都可以获得完整的工程建立流程，这里不再赘述。

  3. 其中bsp和fsbl里面，包含加载过程中所用到的所有源码，下面一一解析。

查看链接文件，原来存储空间是这样有条不紊的被分配

点击FSBL->src->lscript.ld，界面上将会呈现（这里的SDK是2017.2版本）：
感谢这个SDK的开发工具，使得用户能够以图表的方式去查看数据段和代码段的具体分布（以前都是通过直接看源码，毕竟科技进步了~）,不过老程序员可能更喜欢看源码，那我们就结合的看吧

这个图主要呈现了三部分内容：

  1. 定义了两个存储空间，包括offset和length，其源码表达如下
MEMORY
{ps7_ram_0_S_AXI_BASEADDR : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00030000ps7_ram_1_S_AXI_BASEADDR : ORIGIN = 0xFFFF0000, LENGTH = 0x0000FE00
}
  1. 接下来定义了堆栈的大小，忘了啥是堆栈的可以自行百度复习一下
_STACK_SIZE = DEFINED(_STACK_SIZE) ? _STACK_SIZE : 0x6000;
_HEAP_SIZE = DEFINED(_HEAP_SIZE) ? _HEAP_SIZE : 0x2000;
  1. 接下来就是将FSBL编译完成后的所有数据和代码，按照一定的顺序链接生成二进制文件，举个例子：
ENTRY(_vector_table)SECTIONS
{.text : {*(.vectors)*(.boot)*(.text)*(.text.*)*(.gnu.linkonce.t.*)*(.plt)*(.gnu_warning)*(.gcc_execpt_table)*(.glue_7)*(.glue_7t)*(.vfp11_veneer)*(.ARM.extab)*(.gnu.linkonce.armextab.*)
} > ps7_ram_0_S_AXI_BASEADDR

上面的源码的作用是：
（1）定义FSBL的程序入口在== _vector_table ==
（2）将代码段（.text*）链接到ps7_ram_0_S_AXI_BASEADDR的最前头，而这里的代码段实际包含了.vector等等内容，我们查看一下.vectors到底是个啥吧，搜索一下把，结果就在bsp的asm_vectors.S（汇编文件里面）

进到这个汇编程序,如下所示：

#include "xil_errata.h"#define __ARM_NEON__ 1.org 0
.text.globl _vector_table.section .vectors
_vector_table:B _bootB  UndefinedB  SVCHandlerB PrefetchAbortHandlerB   DataAbortHandlerNOP /* Placeholder for address exception vector*/B  IRQHandlerB FIQHandler

这里先关注两个名字，一个就是==.vectors==,另一个就是==_vector_table==
看下面的源码可知，.vectors就是一个.section，相当于下面所有的汇编源码取了一个别名，叫做.vectors,这些源码最终被放置到了上述位置！

第二个需要关注的是_vector_table，其实际上就是全局变量（看下面的源码.globl _vector_table ）,这个全局变量在这里就是一个指针，指向了 B _boot 这个操作。

同时回过头看上面的源码ENTRY(_vector_table)，这就是定义了FSBL的程序入口，也就是cpu执行的第一条指令保存在 _vector_table -----> B _boot

这里可以简单的小结一下， FSBL执行的第一条指令就是B _boot，这是通过查看（编写）FSBL->src->lscript.ld才获悉的，可想而知这个链接文件有多重要，后期等我们更加熟悉，可以尝试一下取修改它，这里做个记号，继续往下走！

ARM要开始运行FSBL了，然而并不是main()

上面已经提及实际FSBL程序最先被执行的语句是B _boot，这是一条汇编指令，意思就是说跳转到 _boot程序块，同时转跳指令B是无需返回的，所以后续B Undefined啥的实际上并不会被执行，看一下**_boot**是什么：

#if XPAR_CPU_ID==0/* only allow cpu0 through */mrc p15,0,r1,c0,c0,5and r1, r1, #0xfcmp r1, #0beq   CheckEFUSEEndlessLoop0:wfeb EndlessLoop0CheckEFUSE:ldr r0,=EFUSEStausldr r1,[r0]                             /* Read eFuse setting */ands r1,r1,#0x80                        /* Check whether device is having single core */beq OKToRun
......
......
......
......
......
......b _start              /* jump to C startup code */and r0, r0, r0          /* no op */.Ldone:  b   .Ldone              /* Paranoia: we should never get here */

汇编语言不是笔者的强项，因此只能大概说明一下（有兴趣的可以自己逐条查看作用，过程会比较痛苦。方式能收获更多CPU底层的细节，这里不展开）：

  1. 针对CPU0和CPU1有不同的程序，基本就是CPU0干活，CPU1就是WFE
  2. CPU干的活就是初始化MMU和TLB等等，其中比较关键的就是初始化堆栈（SP寄存器指向栈顶），前面也提及过，在链接的时候分配了堆栈空间，而堆栈对C语言函数是非常重要的。栈的作用：一般来说函数调用或者中断，都会涉及到现场保护和现场恢复，被保护的现场实际上就是CPU的几个专用的reg，以及正在执行的函数的局部变量等数据，这些数据会被推进栈内，其相应的SP寄存器也会加上入栈数据的长度，在函数执行返回挥着中断返回时，栈内的数据按顺序再次出来，总体来说就是先进后出。而堆的作用一般就是给系统动态分配存储空间的，包括用户经常调用的malloc说分配的空间，就是在堆里。简而言之，堆栈的完成初始化是为了c语言函数提供了环境。否则C语言是无法正确被执行的。
  3. 完成上面一系列的功能后，开始一执行去第一条C语言函数**_start**,见下面的汇编代码
 .globl  _start
_start:bl      __cpu_init       /* Initialize the CPU first (BSP provides this) */mov   r0, #0/* clear sbss */ldr   r1,.Lsbss_start     /* calculate beginning of the SBSS */ldr    r2,.Lsbss_end       /* calculate end of the SBSS */.Lloop_sbss:cmp  r1,r2bge    .Lenclsbss      /* If no SBSS, no clearing required */str   r0, [r1], #4b   .Lloop_sbss.Lenclsbss:/* clear bss */ldr    r1,.Lbss_start      /* calculate beginning of the BSS */ldr r2,.Lbss_end        /* calculate end of the BSS */.Lloop_bss:cmp    r1,r2bge    .Lenclbss       /* If no BSS, no clearing required */str    r0, [r1], #4b   .Lloop_bss.Lenclbss:/* set stack pointer */ldr  r13,.Lstack     /* stack address *//* Reset and start Global Timer */mov    r0, #0x0mov r1, #0x0#if USE_AMP != 1bl XTime_SetTime
#endif#ifdef PROFILING          /* defined in Makefile *//* Setup profiling stuff */bl  _profile_init
#endif /* PROFILING *//* run global constructors */bl __libc_init_array/* make sure argc and argv are valid */mov   r0, #0mov   r1, #0/* Let her rip */bl   main/* Cleanup global constructors */bl __libc_fini_array#ifdef PROFILING/* Cleanup profiling stuff */bl    _profile_clean
#endif /* PROFILING *//* All done */bl  exit.Lexit: /* should never get here */b .Lexit.Lstart:.size    _start,.Lstart-_start

一样的，我们不仔细展开这段汇编，其实通过注释就能够明白，这里的主要功能就是初始化各种数据，包括bss等等。最后，汇编来到了main，这个main就是FSBL的主函数，也就是大家比较熟悉的c语言函数。

小结，实际上BSP在背后干了好多事情（上述所有的汇编都是bsp提供的），这是为了让用户能够忽略一些技术细节，直奔主题main。而这些技术细节已经有Xilinx官方为我们完整无误的准备好了，所以FSBL我们其实只用聚焦在main函数即可，其他的脏活累活BSP已经替我们完成了，我们用不用太操心。不过通过上面的一些展开，大伙儿应该也有了一个模糊的概念，也就是说虽然我们写的所有的函数都是从main函数开始，然后CPU执行的第一条指令，绝对不是main，而是最基础的汇编。这个汇编会替你搞定c语言环境，让我们的main能够很ojbk的运行。下次把目光回到main函数

终于要开始进入main()了，激动不？

费话不多讲，直接怼源码，如下所示

int main(void)
{u32 BootModeRegister = 0;u32 HandoffAddress = 0;u32 Status = XST_SUCCESS;/** PCW initialization for MIO,PLL,CLK and DDR*/Status = ps7_init();//......// to be continued next blog...//......
}

逐条怼：
一开始就定义了三个变量，这三个变量的作用请看下面的注释

 u32 BootModeRegister = 0;// 用来存放boot的模式，到底是Qspi还是NOR等等门后面会具体讲u32 HandoffAddress = 0;// 用来存放FSBL运行完毕以后，下一个镜像执行的地址，这个应该会很后面再讲u32 Status = XST_SUCCESS;//存放操作是否成功的标志，一旦失败基本就是打印信息然后non-POR

next， 接下来开始初始化MIO，PLL，CLK和DDR，调用的函数就是ps7_init()

 /** PCW initialization for MIO,PLL,CLK and DDR*/Status = ps7_init();if (Status != FSBL_PS7_INIT_SUCCESS) {fsbl_printf(DEBUG_GENERAL,"PS7_INIT_FAIL : %s\r\n",getPS7MessageInfo(Status));OutputStatus(PS7_INIT_FAIL);/** Calling FsblHookFallback instead of Fallback* since, devcfg driver is not yet initialized*/FsblHookFallback();}

如果看过我们上一篇blog应该有个印象，MIO不是已经被初始化过一遍吗，怎么又要？是的，就是这么灵活，也就是说你的FSBL可以在Qspi（这样BootROM只会初始化Qspi的接口MIO）里，你的BitStream可以保存在eMMC上，那这个多出来的eMMC的MIO也需要在初始化一下了。不多讲，直接看ps7_init()

int
ps7_init()
{// Get the PS_VERSION on run timeunsigned long si_ver = ps7GetSiliconVersion ();int ret;//int pcw_ver = 0;if (si_ver == PCW_SILICON_VERSION_1) {ps7_mio_init_data = ps7_mio_init_data_1_0;ps7_pll_init_data = ps7_pll_init_data_1_0;ps7_clock_init_data = ps7_clock_init_data_1_0;ps7_ddr_init_data = ps7_ddr_init_data_1_0;ps7_peripherals_init_data = ps7_peripherals_init_data_1_0;//pcw_ver = 1;} else if (si_ver == PCW_SILICON_VERSION_2) {ps7_mio_init_data = ps7_mio_init_data_2_0;ps7_pll_init_data = ps7_pll_init_data_2_0;ps7_clock_init_data = ps7_clock_init_data_2_0;ps7_ddr_init_data = ps7_ddr_init_data_2_0;ps7_peripherals_init_data = ps7_peripherals_init_data_2_0;//pcw_ver = 2;} else {ps7_mio_init_data = ps7_mio_init_data_3_0;ps7_pll_init_data = ps7_pll_init_data_3_0;ps7_clock_init_data = ps7_clock_init_data_3_0;ps7_ddr_init_data = ps7_ddr_init_data_3_0;ps7_peripherals_init_data = ps7_peripherals_init_data_3_0;//pcw_ver = 3;}// MIO initret = ps7_config (ps7_mio_init_data);  if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;// PLL initret = ps7_config (ps7_pll_init_data); if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;// Clock initret = ps7_config (ps7_clock_init_data);if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;// DDR initret = ps7_config (ps7_ddr_init_data);if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;// Peripherals initret = ps7_config (ps7_peripherals_init_data);if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;//xil_printf ("\n PCW Silicon Version : %d.0", pcw_ver);return PS7_INIT_SUCCESS;
}

该函数主要完成：

  1. 读取PS版本，估计一些老料子的方式略有不同吧
  2. 根据PS版本，赋予相对应初始化数组的指针。这个数组基本上构成举例(ps7_mio_init_data_1_0)如下
unsigned long ps7_mio_init_data_1_0[] = {// START: top// .. START: SLCR SETTINGS// .. UNLOCK_KEY = 0XDF0D// .. ==> 0XF8000008[15:0] = 0x0000DF0DU// ..     ==> MASK : 0x0000FFFFU    VAL : 0x0000DF0DU// .. EMIT_WRITE(0XF8000008, 0x0000DF0DU),

可以简单的理解为，这个ps7_mio_init_data_1_0数组中的而每一个元素都是一种操作，这个操作包含了EMIT_WRITE，EMIT_READ等等。比如说EMIT_WRITE，为了完成这个操作，实际上包含了3个元素，操作指令码+地址+数据（不同的操作包含的数据不同，有些操作会有四个元素）。

#define EMIT_WRITE(addr,val)          ( (OPCODE_WRITE     << 4 ) | 2 ) , addr, val

其想要实现的功能就是往addr write val，比如说EMIT_WRITE(0XF8000008, 0x0000DF0DU),其想要实现的功能就是将地址0XF8000008上的数据写为0x0000DF0DU
而0XF8000008这个地址，通过查看TRM，实际上就是给SCLR_UNLOCK寄存器写入0xDF0D，目的就是为了解锁SCLR所有的寄存器，使其可写，也就是说没有完成这一步的话，SCLR的其余寄存器使不允许写操作的！

Xilinx希望通过这种比较奇怪的方式完成了一系列操作（EMIT_WRITE和其他操作）的封装成一个组合（ps7_mio_init_data_1_0），这一些列的操作共同完成了比如说MIO的初始化，DDR的初始化等等。同时Xilinx提供了一个函数去解读这些操作,**ps7_config ()**正是为了实现这个功能,如下所示，利用ps7_config ()和ps7_mio_init_data来完成MIO的初始化

  // MIO init , include in ps7_init()ret = ps7_config (ps7_mio_init_data);  if (ret != PS7_INIT_SUCCESS) return ret;

下面来看一下ps7_config（）

int
ps7_config(unsigned long * ps7_config_init)
{unsigned long *ptr = ps7_config_init;unsigned long  opcode;            // current instruction ..unsigned long  args[16];           // no opcode has so many args ...int  numargs;           // number of arguments of this instructionint  j;                 // general purpose indexvolatile unsigned long *addr;         // some variable to make code readableunsigned long  val,mask;              // some variable to make code readableint finish = -1 ;           // loop while this is negative !int i = 0;                  // Timeout variablewhile( finish < 0 ) {numargs = ptr[0] & 0xF;opcode = ptr[0] >> 4;for( j = 0 ; j < numargs ; j ++ ) args[j] = ptr[j+1];ptr += numargs + 1;switch ( opcode ) {case OPCODE_EXIT:finish = PS7_INIT_SUCCESS;break;case OPCODE_CLEAR:addr = (unsigned long*) args[0];*addr = 0;break;case OPCODE_WRITE:addr = (unsigned long*) args[0];val = args[1];*addr = val;break;case OPCODE_MASKWRITE:addr = (unsigned long*) args[0];mask = args[1];val = args[2];*addr = ( val & mask ) | ( *addr & ~mask);break;case OPCODE_MASKPOLL:addr = (unsigned long*) args[0];mask = args[1];i = 0;while (!(*addr & mask)) {if (i == PS7_MASK_POLL_TIME) {finish = PS7_INIT_TIMEOUT;break;}i++;}break;case OPCODE_MASKDELAY:addr = (unsigned long*) args[0];mask = args[1];int delay = get_number_of_cycles_for_delay(mask);perf_reset_and_start_timer(); while ((*addr < delay)) {}break;default:finish = PS7_INIT_CORRUPT;break;}}return finish;
}

该函数很简单，实际上就是EMIT_WRITE，EMIT_EXIT,EMIT_READ等一系列操作的解包过程，有兴趣的可以深入查看一下。需要注意的是，最后一个操作一定是EMIT_EXIT,也就是说不管是ps7_mio_init_data还是ps7_pll_init_data，这些数组的最后一个元素（操作）一定是EMIT_EXIT，读者可自行检查。

小节

Xilinx利用了一种非常不常见的方式完成了部分（MIO或者DDR）初始化，究其原因可能是这部分初始化工作是固定的，所以什么可读性啊都不需要了？ 既然xilinx这么干了，我们看得懂就行了，这种方式极其不推荐。

main的后续操作，会在以后的blog中在详细解释，敬请期待。

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