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Zynq-7000固化启动全解析：从FSBL到QSPI Flash烧录的实战指南

你有没有遇到过这样的场景？
FPGA逻辑设计调通了，软件也跑起来了，一切看似完美。但当你拔掉JTAG线、重新上电——系统“哑火”了，串口毫无输出，板子像块砖头一样安静。

别急，这并不是硬件坏了，而是你的Zynq系统还没学会“自己起床”。要让Zynq-7000在断电重启后依然能自动运行，就必须掌握程序固化这一关键技能。

本文将带你深入Xilinx Zynq-7000平台的启动机制，以实战视角拆解从Vivado生成比特流，到SDK构建FSBL，再到最终烧写QSPI Flash实现自启动的完整流程。我们不讲空泛理论，只聚焦工程师真正关心的问题：

• 为什么必须要有FSBL？
• BOOT.BIN到底是怎么打包的？
• 烧录时提示“Flash not found”怎么办？
• 上电后没反应，该从哪查起？

如果你正被这些问题困扰，那么接下来的内容，就是为你准备的。

FSBL：Zynq启动链上的“第一发子弹”

什么是FSBL？它真的不可跳过吗？

FSBL（First Stage Boot Loader），中文叫第一阶段引导加载程序，是Zynq-7000上电后执行的第一段用户代码。

很多人误以为“我用裸机程序+bit流就够了”，但实际上，在大多数非JTAG启动模式下（比如QSPI、SD卡），没有FSBL，系统根本动不了。

因为Zynq的启动流程是这样安排的：

1. 芯片上电 → 片内ROM中的BootROM开始执行；
2. BootROM根据引脚配置判断启动方式（如QSPI）；
3. 它会从Flash读取第一个镜像——也就是FSBL，并将其加载到片内OCM（On-Chip Memory）中；
4. 控制权交给FSBL；
5. 后续动作才由你写的FSBL来主导。

所以你可以理解为：BootROM是“宿管阿姨”，她只负责开门放人进来；而FSBL才是“住户本人”，进来之后做什么全看它。

✅ 结论：除非你使用JTAG调试或SD卡直接启动Linux镜像（PetaLinux默认行为），否则几乎无法绕开FSBL。

FSBL到底做了哪些事？

不要小看这个短短几KB的程序，它的任务非常关键：

其中最常被忽视的一点是：PL必须由FSBL显式加载才能工作！

这意味着即使你在Vivado里导出了硬件并生成了bit流，如果没在BOOT.BIN中包含它，或者FSBL加载失败，那么哪怕你的AXI GPIO连得再正确，也会表现为“没信号”。

如何生成一个可靠的FSBL？

在Xilinx SDK中创建工程时，选择：

File → New → Application Project → 输入项目名（如fsbl） → Platform: Create from Existing .hdf → Template: Zynq FSBL

SDK会基于你从Vivado导出的.hdf文件自动生成标准FSBL源码。

⚠️ 注意事项：
- 必须使用当前设计对应的.hdf，否则时钟配置错误可能导致DDR初始化失败；
- 不建议手动修改ps7_init.c等底层初始化函数，除非你清楚每一行寄存器操作的意义；
- 建议开启编译警告级别，及时发现潜在问题。

典型的FSBL主流程如下：

int main() { init_platform(); xil_printf("FSBL Start...\r\n"); if (Fsbl_Initialize()) { Fsbl_Error(1); // 外设初始化失败 } if (Ps7_Init()) { Fsbl_Error(2); // PS寄存器配置异常 } if (Fsbl_LoadBitstream()) { Fsbl_Error(3); // PL加载失败！重点排查项 } Status = Fsbl_LoadImage(FSBL_SECOND_STAGE_OFFSET, (u32*)FSBL_SECOND_STAGE_ADDR); if (Status != XST_SUCCESS) { Fsbl_Error(4); // SSBL加载失败 } Fsbl_JumpToNextStage((u32)FSBL_SECOND_STAGE_ADDR); return 0; }

这段代码虽然短，但每一步都可能成为启动失败的“罪魁祸首”。

BOOT.BIN：把软硬件打包成一张“启动光盘”

为什么需要BOOT.BIN？

设想一下：我们要从Flash启动，里面至少要放这些东西：

• FSBL（最先运行）
• bitstream（配置FPGA逻辑）
• uboot 或 裸机程序（主应用）

问题是：Flash是一整块存储空间，怎么知道哪一段是谁？谁先谁后？

于是Xilinx引入了BOOT.BIN—— 一个类似“启动光盘”的多段镜像容器。

它不是简单的拼接文件，而是通过.bif文件定义结构，再由工具bootgen打包而成。

.bif 文件怎么写？顺序决定生死！

.bif是 Boot Image Format 的缩写，本质上是一个文本脚本，告诉bootgen“谁先谁后”。

一个典型的.bif文件内容如下：

the_ROM_image: { [fsbl_config] ./fsbl/Debug/fsbl.elf [bootloader] ./uboot/Debug/u-boot.elf [destination_device = pl] ./design_1_wrapper.bit }

注意几个关键语法：

• [fsbl_config]：标记这是FSBL，必须放在第一位；
• [bootloader]：第二阶段程序（uboot/裸机）；
• [destination_device = pl]：表示这是一个要下载到PL的bit流；
• 路径必须真实存在，且推荐使用相对路径。

❗ 错误示例：

bif the_ROM_image: { [bootloader] u-boot.elf [fsbl_config] fsbl.elf ← 错！FSBL不在首位 }

这样生成的BOOT.BIN会导致BootROM无法识别，直接报错“Invalid image”。

使用 bootgen 生成 BOOT.BIN

可以在SDK中右键点击.bif文件 → “Create Boot Image”，也可以命令行操作：

bootgen -image system.bif -o i BOOT.BIN -w on

生成后的BOOT.BIN结构大致如下：

Offset 0x0000: | FSBL ELF Header + Code (约 64KB) | Offset 0x10000: | Bitstream Data (含头部标识) | Offset 0x200000: | u-boot.elf / app.elf

每个组件的位置和大小取决于实际文件尺寸，但顺序严格遵循.bif定义。

BOOT.BIN 的高级玩法

这些特性在工业级产品中尤为重要，但在原型阶段可暂不启用。

QSPI Flash烧录：让系统真正“落地”

为什么要选QSPI Flash？

相比其他启动方式，QSPI Flash的优势非常明显：

因此，产品化部署基本都会选择QSPI Flash作为首选启动介质。

烧录全流程实操步骤

步骤一：准备工作

1. 板卡通过JTAG连接PC；
2. 供电正常，复位电路稳定；
3. Vivado已完成实现，生成.bit文件；
4. SDK已生成 FSBL 和 应用程序.elf；
5. 已创建.bif并生成BOOT.BIN。

步骤二：使用SDK烧录Flash

打开Xilinx SDK → 菜单栏：

Xilinx Tools → Program Flash

填写参数：

点击Program，等待进度条完成。

底层其实是调用了XSCT（Xilinx Scripting Console）执行TCL脚本完成烧录。

自动化烧录脚本（适用于量产）

对于批量生产或CI/CD环境，可以编写TCL脚本来替代GUI操作：

# flash_program.tcl connect_hw_server open_hw_target set hw_device [lindex [get_hw_devices] 0] set_property PROGRAM.STOP_AT_DONE 0 $hw_device # 指定Flash型号（务必与实际一致！） create_hw_cfgmem -hw_device $hw_device \ -mem_dev [lindex [get_cfgmem_parts {n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4}] 0] set_property PROGRAM.FILES [list "BOOT.BIN"] [get_cfgmem_parts n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4] set_property PROGRAM.ADDRESS_RANGE {use_file} [get_cfgmem_parts n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4] set_property PROGRAM.ERASE 1 [get_cfgmem_parts n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4] set_property PROGRAM.CFG_PROGRAM 1 [get_cfgmem_parts n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4] program_hw_mem -hw_cfgmem [get_cfgmem_parts n25q128-3.3v-spi-x1_x2_x4] disconnect_hw_server

运行方式：

xsct flash_program.tcl

🔍 提示：可通过get_cfgmem_parts查看SDK支持的所有Flash型号列表。

常见烧录失败原因及对策

实战案例：我的板子上电没反应，怎么办？

假设你现在面临这样一个问题：

“我已经烧好了BOOT.BIN，QSPI显示烧录成功，但上电后串口没有任何输出。”

别慌，我们按启动链条一步步排查：

第一步：确认启动模式是否正确

Zynq通过MIO[8:6]引脚决定启动方式。常见组合如下：

用万用表测量这三个引脚的电压，确保它们确实配置为QSPI模式（通常是上拉+下拉组合）。

🛠 工具建议：可用示波器抓取QSPI CLK线，若上电时有活动，则说明确实在尝试读取Flash。

第二步：检查FSBL是否运行

如果没有串口输出，最大可能是FSBL根本没跑起来。

常见原因包括：

• .bif文件中FSBL位置不对；
• FSBL编译失败但仍参与打包；
• 时钟配置错误导致串口波特率偏差过大（看起来像无输出）；

解决办法：

1. 重新检查.bif中是否写了[fsbl_config] fsbl.elf；
2. 在SDK中 clean & rebuild 所有工程；
3. 使用JTAG调试模式单步运行FSBL，观察xil_printf是否能打印；
4. 确认串口时钟源（通常为UART_REF_CLK = 50MHz），计算波特率误差是否在容忍范围内（±3%）。

第三步：验证bit流是否加载成功

即使FSBL运行了，也可能卡在PL加载环节。

可在FSBL代码中加入日志：

if (Fsbl_LoadBitstream()) { xil_printf("ERROR: Bitstream load failed!\r\n"); while(1); } xil_printf("PL configured successfully.\r\n"); // 若能看到这句，说明OK

如果看不到这句输出，就要检查：

• .bit文件路径是否正确；
• 是否启用了压缩bit流？某些老版本FSBL不支持；
• bit流是否为Little Endian格式（Zynq要求）；

可在Vivado中设置：

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS true [current_design] set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]

然后重新生成bit流。

第四步：确认第二阶段程序加载地址

最容易被忽略的是内存地址冲突问题。

例如：

• FSBL默认运行在OCM：0xFFFF0000
• uboot想加载到DDR：0x00100000
• 但你在.bif里写成了0x00001000，结果覆盖了中断向量表……

正确的做法是：

1. 查看uboot或应用程序的链接脚本（.lds），确定其期望加载地址；
2. 在.bif中指定相同地址；
3. 确保该区域未被其他模块占用。

典型分配示例：

设计建议：如何提升系统的可靠性和可维护性？

当你准备将项目推向产品化时，以下几点值得考虑：

✅ 启动速度优化

• 启用bit流压缩（节省传输时间）；
• 使用QSPI Quad Mode（提高读取速率）；
• 减少FSBL中不必要的初始化项（如关闭未使用的外设）；

✅ 双备份镜像机制

在Flash中划分两个独立的BOOT.BIN区域：

Offset 0x0: Primary_BOOT.BIN Offset 0x400000: Backup_BOOT.BIN

FSBL先尝试加载主镜像，失败后自动切换至备份，极大提升容错能力。

✅ 添加版本号与校验和

在BOOT.BIN末尾附加元数据：

struct boot_header { uint32_t magic; // 0x5A5A5A5A uint32_t version; uint32_t image_size; uint32_t checksum; };

每次烧录时自动写入，启动时进行完整性校验，防止写入中断导致系统崩溃。

✅ 保留JTAG调试通道

即便实现了自启动，也建议在PCB上预留JTAG接口（至少测试点形式）。一旦现场出现问题，还能通过JTAG接入调试，避免“变砖返厂”。

写在最后：掌握固化，才算真正驾驭Zynq

我们常说：“能让Zynq跑起来的是学生，能让它自己启动的才是工程师。”

本文所讲的FSBL、BOOT.BIN、QSPI烧录，看似是开发末期的一个“收尾动作”，实则是整个嵌入式系统可靠性设计的核心环节。

尤其在工业控制、医疗设备、边缘AI盒子这类不允许“人工干预启动”的场景中，一次成功的固化方案，意味着更低的售后成本、更高的客户满意度。

更重要的是，这套“分阶段引导 + 镜像管理”的思想，并不会随着Zynq-7000的迭代而过时。在更新的Zynq UltraScale+ MPSoC中，虽然多了PMU、CSU、安全启动等复杂模块，但其本质逻辑仍然延续至今。

所以，当你下次面对一块新的异构SoC时，不妨问自己：

“它的‘第一发子弹’是从哪里射出的？我又该如何掌控整个启动链条？”

答案，往往就藏在那小小的BOOT.BIN之中。

如果你在实践中遇到了具体的启动难题，欢迎在评论区留言交流——我们一起把这块“硬骨头”啃下来。