對(duì)于一款新的Zynq板卡來(lái)說(shuō)，如何開(kāi)掛啟動(dòng)程序
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口袋式高速邏輯分析儀
當(dāng)新入手一款Zynq開(kāi)發(fā)板后，一般新手在串口輸出一個(gè)hello world，實(shí)現(xiàn)功能就可以了。而對(duì)于一些對(duì)于Zynq有一定了解的老手而言，往往則會(huì)去嘗試了解板上硬件的特性和時(shí)序，探究hello world輸出背后整個(gè)系統(tǒng)是如何運(yùn)作的。
事實(shí)上，對(duì)于一款新的Zynq板卡來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)序列中QSPI傳輸?shù)乃俣炔皇且粋€(gè)明顯的規(guī)范，本文教程就將教你如何使用Digital Discovery口袋式高速邏輯分析儀來(lái)快速分析啟動(dòng)序列并確定時(shí)序。
01
硬件清單
Digital Discovery口袋式高速邏輯分析儀
帶有flash的Zynq開(kāi)發(fā)板(本文中使用Digilent Zybo作為被測(cè)對(duì)象)
SOIC測(cè)試夾(若有最佳)
杜邦線
注：事實(shí)上，除了Digital Discovery之外，當(dāng)然你也可以用經(jīng)典的 Digilent Analog Discovery 2 來(lái)操作，后者同樣帶有邏輯分析儀功能。這里更為推薦使用Digital Discovery，有兩個(gè)原因：一是由于QSPI時(shí)鐘頻率很高，超過(guò)100MHz，因此所選的儀器需要具有足夠的采樣率。二是Digital Discovery具有512 MB的DDR，可以完成大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。
02
連接Digital Discovery
連接關(guān)系如下：
QSPI 信號(hào)QSPI/測(cè)試夾引腳Digital Discovery引腳
cs7DIO0
clk16DIO1
d015DIO2
d18DIO3
d29DIO4
d31DIO5
gnd10Gnd
在使用如上圖所示的杜邦線進(jìn)行連接時(shí)，要注意保證信號(hào)完整性，避免串?dāng)_。在某些時(shí)候，需要將某個(gè)信號(hào)和地線進(jìn)行纏繞，如圖中的藍(lán)色cs信號(hào)就使用了接了地的黑線進(jìn)行了纏繞。
03
QSPI腳本
為了將QSPI的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，在邏輯分析儀的WaveForm軟件中增添了一個(gè)“定制”通道，并使用js語(yǔ)言編寫(xiě)了一個(gè)“解釋器”。代碼如下：
// rgData: input, raw digital sample array// rgValue: output, decoded data array// rgFlag: output, decoded flag arrayvar c = rgData.length // c = number of raw samplesvar pClock = false; // previous cock signal levelvar iStart = 0; // used to keep track on word start indexvar cByte = 0; // byte count per transmissionvar cBits = 0; // bit countervar bValue = 0; // value variablevar fCmd = true;for(var i = 0; i < c; i++){ // for each sample var s = rgData[i]; // current sample var fSelect = 1&(s>>0); // pin0 is the select signal var fClock = 1&(s>>1); // pin1 is the clock signal var fData = 1&(s>>2); // pin2 is the data signal var fData4 = 0xF&(s>>2); // DIN 2-5 DQ 0-3 if(fSelect != 0){ // select active low // while select inactive reset our counters/variables iStart = i+1; // select might become active with next sample cByte = 0; cBits = 0; bValue = 0; pClock = false; fCmd = true; continue; } if(pClock == 0 && fClock != 0){ // sample on clock rising edge bValue <<= 4; // serial data bit, MSBit first bValue |= fData4; cBits++; if(cBits==2){ // when got the 8th bit of the word store it cByte++; // store rgValue/Flag from word start index to current sample position for(var j = iStart; j < i; j++){ // Flag change will be visible on plot even when data remains constant. // This is useful in case we get more consecutive equal values. rgFlag[j] = cByte; rgValue[j] = bValue; } iStart = i+1; // next word might start after this sample cBits = 0; // reset bit count for the next byte bValue = 0; // reset value variable } } pClock = fClock; // previous clock level}
除了使用定制的“解釋器”外，我們還可以使用標(biāo)準(zhǔn)的SPI來(lái)分析那些沒(méi)有通過(guò)QSPI發(fā)送到指令，例如第一條讀取指令。
04
觸發(fā)與采樣
雖然QSPI的最高時(shí)鐘頻率是100MHz，但在啟動(dòng)過(guò)程中的最高頻率僅為25MHz。此外，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程大概需要700ms。因此對(duì)于同時(shí)滿足大量樣本和高速采樣率，這也正是選擇Digital Discovery的原因——200MHz的采樣速度可以在1.3s內(nèi)采樣268M的樣本數(shù)據(jù)。
采樣本身是十分浪費(fèi)資源的，這個(gè)過(guò)程需要使用16GB的電腦內(nèi)存，并且需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理。
觸發(fā)設(shè)置在CS信號(hào)的下降沿。
下圖是Waveforms中整個(gè)QSPI的傳輸過(guò)程。注意圖中采樣信號(hào)的短暫中斷，從這個(gè)時(shí)候起時(shí)鐘頻率由5.4MHz變?yōu)榱?5MHz。
05
啟動(dòng)傳輸
想要明白所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)含義需要閱讀兩個(gè)文檔，一是Zynq技術(shù)參考手冊(cè)(www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug585-Zynq-7000-TRM.pdf)，另一個(gè)是flash memory的數(shù)據(jù)手冊(cè)(www.cypress.com/file/177966/download)。
Zynq與flash之間使用SPI協(xié)議進(jìn)行通信，Zynq發(fā)送通過(guò)D0向flash發(fā)送指令。所發(fā)送的第一條指令是0x03 0x00 0x00 0x20，含義是SPI讀，讀起始地址是0x20。Flash通過(guò)D1接收0x66 0x55 0x99 0xaa。Flash讀指令的含義在flash memeory的第85頁(yè)做了解釋。
(點(diǎn)擊可查看大圖)
在Zynq技術(shù)參考手冊(cè)的第170到179頁(yè)解釋了所回復(fù)指令的含義，簡(jiǎn)單說(shuō)這組字節(jié)告訴了Zynq內(nèi)存是支持QSPI的。還需要注意到，此時(shí)的SPI時(shí)鐘是5.405MHz，是一個(gè)比較低的速度。
從這點(diǎn)上看，確定了Zynq的內(nèi)存支持QSPI，并且所有的交互都將在這4條數(shù)據(jù)線上完成。例如，下一條指令是0x6b，跟在一個(gè)3個(gè)字節(jié)的地址的后面。0x6b表示一個(gè)quad讀指令，在8個(gè)時(shí)鐘周期后的QSPI解釋器上看到響應(yīng)，這是虛擬字節(jié)。
(點(diǎn)擊可查看大圖)
在本例中，地址是0x1d，讀取7個(gè)字節(jié)。這些字節(jié)來(lái)自地址0x1d、0x1e、0x1f，它是中斷表的一部分，然后從地址0x20開(kāi)始讀取4個(gè)字節(jié)，這是在第一個(gè)SPI讀取時(shí)讀取的相同字節(jié)。
Znqy將繼續(xù)讀取字節(jié)，地址逐漸增加，直到0x45，這是bootROM Header的結(jié)尾。
但是，由于我們無(wú)法訪問(wèn)BootROM的代碼，其余的引導(dǎo)序列就不那么透明了。在某個(gè)時(shí)候，F(xiàn)SBL(第一階段引導(dǎo)加載程序)將開(kāi)始運(yùn)行，最有可能的是當(dāng)SPI時(shí)鐘頻率變化到25 MHz的時(shí)候，如下所示，也就是在引導(dǎo)過(guò)程開(kāi)始后的84毫秒。
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然后，F(xiàn)SBL將讀取引導(dǎo)映像文件并分析它包含的不同分區(qū)，包括配置Zynq PL部分的bit文件，在ARM中運(yùn)行的elf文件。
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