对于一款新的Zynq板卡来说，如何开挂启动程序

答案是：Digital Discovery

口袋式高速逻辑分析仪

当新入手一款Zynq开发板后，一般新手在串口输出一个hello world，实现功能就可以了。而对于一些对于Zynq有一定了解的老手而言，往往则会去尝试了解板上硬件的特性和时序，探究hello world输出背后整个系统是如何运作的。

事实上，对于一款新的Zynq板卡来说，在启动序列中QSPI传输的速度不是一个明显的规范，本文教程就将教你如何使用Digital Discovery口袋式高速逻辑分析仪来快速分析启动序列并确定时序。

01

硬件清单

• Digital Discovery口袋式高速逻辑分析仪

• 带有flash的Zynq开发板（本文中使用Digilent Zybo作为被测对象）

• SOIC测试夹（若有最佳）

• 杜邦线

注：事实上，除了Digital Discovery之外，当然你也可以用经典的Digilent Analog Discovery 2来操作，后者同样带有逻辑分析仪功能。这里更为推荐使用Digital Discovery，有两个原因：一是由于QSPI时钟频率很高，超过100MHz，因此所选的仪器需要具有足够的采样率。二是Digital Discovery具有512 MB的DDR，可以完成大规模数据存储的要求。

02

连接Digital Discovery

连接关系如下：

QSPI 信号	QSPI/测试夹引脚	DigitalDiscovery引脚
cs	7	DIO0
clk	16	DIO1
d0	15	DIO2
d1	8	DIO3
d2	9	DIO4
d3	1	DIO5
gnd	10	Gnd

在使用如上图所示的杜邦线进行连接时，要注意保证信号完整性，避免串扰。在某些时候，需要将某个信号和地线进行缠绕，如图中的蓝色cs信号就使用了接了地的黑线进行了缠绕。

03

QSPI脚本

为了将QSPI的信号转换成数据，在逻辑分析仪的WaveForm软件中增添了一个“定制”通道，并使用js语言编写了一个“解释器”。代码如下：

// 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“解释器”外，我们还可以使用标准的SPI来分析那些没有通过QSPI发送到指令，例如第一条读取指令。

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触发与采样

虽然QSPI的最高时钟频率是100MHz，但在启动过程中的最高频率仅为25MHz。此外，整个启动过程大概需要700ms。因此对于同时满足大量样本和高速采样率，这也正是选择Digital Discovery的原因——200MHz的采样速度可以在1.3s内采样268M的样本数据。

采样本身是十分浪费资源的，这个过程需要使用16GB的电脑内存，并且需要很长的时间来完成数据的处理。

触发设置在CS信号的下降沿。

下图是Waveforms中整个QSPI的传输过程。注意图中采样信号的短暂中断，从这个时候起时钟频率由5.4MHz变为了25MHz。

05

启动传输

想要明白所传输的数据含义需要阅读两个文档，一是Zynq技术参考手册（www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug585-Zynq-7000-TRM.pdf），另一个是flash memory的数据手册（www.cypress.com/file/177966/download）。

Zynq与flash之间使用SPI协议进行通信，Zynq发送通过D0向flash发送指令。所发送的第一条指令是0x03 0x00 0x00 0x20，含义是SPI读，读起始地址是0x20。Flash通过D1接收0x66 0x55 0x99 0xaa。Flash读指令的含义在flash memeory的第85页做了解释。

（点击可查看大图）

在Zynq技术参考手册的第170到179页解释了所回复指令的含义，简单说这组字节告诉了Zynq内存是支持QSPI的。还需要注意到，此时的SPI时钟是5.405MHz，是一个比较低的速度。

从这点上看，确定了Zynq的内存支持QSPI，并且所有的交互都将在这4条数据线上完成。例如，下一条指令是0x6b，跟在一个3个字节的地址的后面。0x6b表示一个quad读指令，在8个时钟周期后的QSPI解释器上看到响应，这是虚拟字节。

（点击可查看大图）

在本例中，地址是0x1d，读取7个字节。这些字节来自地址0x1d、0x1e、0x1f，它是中断表的一部分，然后从地址0x20开始读取4个字节，这是在第一个SPI读取时读取的相同字节。

Znqy将继续读取字节，地址逐渐增加，直到0x45，这是bootROM Header的结尾。

但是，由于我们无法访问BootROM的代码，其余的引导序列就不那么透明了。在某个时候，FSBL(第一阶段引导加载程序)将开始运行，最有可能的是当SPI时钟频率变化到25 MHz的时候，如下所示，也就是在引导过程开始后的84毫秒。

（点击可查看大图）

然后，FSBL将读取引导映像文件并分析它包含的不同分区，包括配置Zynq PL部分的bit文件，在ARM中运行的elf文件。

关于引导镜像和启动过程可以阅读这一用户手册（www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug821-zynq-7000-swdev.pdf）。