ZYNQ-7030 NAND Flash 启动详细配置说明文档 (Vivado/PetaLinux 2017.4)

ZYNQ-7030 NAND Flash 启动详细配置说明文档 (Vivado/PetaLinux 2017.4)

一、 整体启动流程概述

ZYNQ-7000系列从NAND Flash启动的完整流程如下：

1. Boot ROM：芯片上电后，读取Boot Mode引脚（MIO引脚），确定从NAND启动。
2. FSBL (First Stage Bootloader)：Boot ROM从NAND的起始地址读取并运行FSBL。
3. 加载Bitstream (PL程序)：FSBL读取NAND中的Bitstream文件，并配置PL端逻辑。
4. U-Boot：FSBL加载并引导第二阶段引导程序U-Boot。
5. Linux Kernel & Device Tree：U-Boot从NAND特定分区读取Linux内核和设备树并启动。
6. RootFS (根文件系统)：Linux内核挂载NAND中的文件系统（针对NAND通常使用UBIFS或JFFS2格式）。
   

二、 启动所需的全部文件清单

三、 每个文件的生成步骤

阶段1：Vivado 2017.4 硬件设计与导出

目标：生成硬件描述文件（.hdf）和比特流（.bit）

1. 配置ZYNQ PS端：
   • 打开Vivado 2017.4，创建Block Design。
   • 双击ZYNQ7 Processing System，配置DDR型号、时钟等。
   • 关键配置：在Peripheral I/O Pins中，勾选SMC并配置为NAND Flash，分配对应的MIO引脚。
   • 根据需求勾选 UART、Ethernet 等外设。
2. 设计PL端：
   • 在Block Design中添加你需要的PL端IP核，完成连线。
3. 生成Bitstream：
   • 依次点击Generate Output Products->Create HDL Wrapper。
   • 点击Generate Bitstream编译工程，生成.bit文件。
4. 导出硬件 (HDF)：
   • 编译完成后，点击菜单栏File->Export->Export Hardware。
   • 务必勾选 “Include bitstream”。
   • 这将会在工程目录下生成一个.hdf文件（例如system_wrapper.hdf），这是PetaLinux所需的硬件基础。

阶段2：PetaLinux 2017.4 软件编译与打包

目标：生成 U-Boot、内核、文件系统 及 BOOT.BIN

前提条件：在Ubuntu环境下安装好PetaLinux 2017.4。

1. 创建PetaLinux工程：

   petalinux-create--typeproject--templatezynq--namemy_nand_projcdmy_nand_proj

2. 导入硬件配置：

   petalinux-config --get-hw-description=<你的.hdf文件所在路径>

3. 配置NAND及分区 (核心步骤)：
   在弹出的配置菜单中，进行如下设置：

   • 进入Subsystem AUTO Hardware Settings->Flash Settings。
   • 将Primary Flash设置为nand。
   • 设置NAND的分区（Partition Table），建议如下（根据你的NAND实际大小调整，以下为示例）：
     • boot(给BOOT.BIN): 0x500000 (5MB)
     • bootenv(给U-Boot环境变量): 0x100000 (1MB)
     • kernel(给image.ub): 0x1400000 (20MB)
     • rootfs(给rootfs): 剩余空间大小
   • 进入Image Packaging Configuration：
     • 将Root filesystem type设置为UBIFS（NAND极其不推荐用EXT4，必须用有坏块管理能力的文件系统）。
   • 退出并保存配置。

4. 编译系统：

   petalinux-build

   编译完成后，images/linux/目录下会生成zynq_fsbl.elf、u-boot.elf、system.bit、image.ub、rootfs.ubifs等文件。

5. 打包生成 BOOT.BIN：
   将FSBL、Bitstream和U-Boot打包在一起：

   petalinux-package--boot--fsblimages/linux/zynq_fsbl.elf--fpgaimages/linux/system.bit --u-boot images/linux/u-boot.elf--force

   执行后，在images/linux/目录下生成最终的BOOT.BIN。
   

四、 文件的放置与烧写 (烧写到 NAND Flash)

因为NAND Flash初始是空的，通常需要借助JTAG和Xilinx SDK（或Vivado的Program Flash工具）来进行首次烧录。推荐分两步进行：先烧录BOOT.BIN，再通过U-boot网络烧录内核和文件系统（速度更快且安全）。

方法一：使用 Vivado/SDK Program Flash (适合烧录BOOT.BIN)

1. 确保ZYNQ板卡的启动模式拨码开关拨到JTAG模式，连接JTAG仿真器并上电。
2. 打开 Xilinx SDK 2017.4。
3. 点击菜单栏Xilinx->Program Flash。
4. 配置参数：
   • Image File: 选择生成的BOOT.BIN。
   • Flash Type: 选择nand。
   • FSBL File: 选择生成的zynq_fsbl.elf（SDK需要它来初始化DDR和NAND控制器）。
   • Offset:0x0
5. 点击Program进行烧录。

方法二：利用 U-Boot 和 TFTP 烧写系统文件 (推荐用于 image.ub 和 rootfs)

烧录整个rootfs用JTAG非常慢，推荐使用网络(TFTP)烧写。

1. 在电脑端搭建一个TFTP服务器，将image.ub和rootfs.ubifs放入TFTP目录。
2. 板卡断电，将启动拨码开关拨至NAND启动模式。
3. 连接串口，板卡上电，在倒计时结束前按任意键打断启动，进入U-Boot命令行。
4. 配置网络：

   setenv ipaddr192.168.1.10# 板卡IPsetenv serverip192.168.1.100# 电脑端TFTP服务器IP

5. 烧写 image.ub 到 kernel 分区：

   tftp 0x2000000 image.ub# 从TFTP下载内核到内存nand erase 0x600000 0x1400000# 擦除内核分区 (地址需与前面petalinux分配的对应)nandwrite0x2000000 0x600000${filesize}# 将内存数据写入NAND

6. 烧写 rootfs.ubifs 到 rootfs 分区：

   tftp 0x2000000 rootfs.ubifs nand erase 0x1A00000 0x4000000# 擦除文件系统分区(起始地址和大小请匹配你的配置)nandwrite0x2000000 0x1A00000${filesize}

7. 重启板卡：

   reset

五、 硬件启动设置与验证

1. 设置Boot Mode引脚：
   ZYNQ-7000的启动由MIO[5:3]决定。要从NAND启动，请查阅你所用具体板卡的原理图，将拨码开关设置为NAND Boot 模式（通常 MIO5=0, MIO4=1, MIO3=0，具体视硬件设计而定）。
2. 上电验证：
   • 打开串口终端（波特率通常为 115200）。
   • 上电后，首先应看到FSBL的打印信息。
   • 紧接着PL端被配置（如果是控制LED的逻辑，此时LED应该有所反应；或者板载的PL_DONE指示灯亮起）。
   • 然后看到U-Boot启动信息。
   • U-Boot 自动从NAND读取内核，随后进入Linux 启动日志。
   • 最终出现 Linux 登录提示符（默认账号root，密码root）。

总结

实现该需求的核心在于：

1. Vivado中必须使能并配置NAND控制器 (SMC)。
2. 生成BOOT.BIN时必须包含.bit文件，这保证了FSBL阶段就能加载PL程序。
3. PetaLinux必须配置正确的NAND分区表，并且根文件系统强烈建议采用UBIFS格式以适应NAND的物理特性。