Flash双冗余程序切换功能实现文档

1. 项目概述

本项目基于Xilinx Zynq-7000 SoC平台，在Vivado 2018.3+Xilinx SDK 2018.3环境下开发，实现了Flash双冗余程序功能。该功能使系统能够在单一Flash芯片上存储两套不同的程序，并根据定时器自动在两个程序之间进行切换。

2. 硬件参数

处理器平台：Xilinx Zynq-7000系列SoC (双核ARM Cortex-A9)
处理器频率：333MHz
存储设备：QSPI Flash (用于程序存储)，eMMC (用于配置数据存储)
定时器：SCU定时器 (Timer0用于系统定时，Timer1用于程序切换)
内存：OCM (On-Chip Memory) 用于程序加载和执行
网络接口：以太网接口 (PS7_ETHERNET_0)
串口：PS7_UART_1 (用于程序切换信息输出)

3. 修改文件说明

本次修改涉及以下文件：

3.1 新建文件

CTRL_SYS/src/include/program_switch.h
- 目的：定义程序切换功能的接口
- 内容：声明InitProgramSwitch函数，提供程序切换功能的初始化入口
CTRL_SYS/src/source/program_switch.c
- 目的：实现Flash双冗余程序切换功能
- 内容：
  - QSPI Flash初始化和容量检测
  - 程序加载和执行功能
  - 定时器中断处理程序切换
  - 用户界面信息输出

3.2 修改文件

CTRL_SYS/src/source/main.c
- 目的：集成程序切换功能到现有系统
- 修改：
  - 添加program_switch.h头文件
  - 在main函数中初始化程序切换功能
CTRL_SYS/src/include/timer_intr.h
- 目的：支持多个定时器操作
- 修改：
  - 添加定时器相关常量定义
  - 增加函数文档注释
  - 定义第二个定时器的中断ID (TIMER_SWITCH_INTR)

4. 项目流程与模块功能

4.1 整体流程

系统启动：
- FSBL启动后加载主程序
- 主程序初始化系统组件(控制系统、中断系统等)
程序切换初始化：
- 初始化QSPI Flash并检测容量
- 计算程序A和程序B的偏移地址
- 设置定时器中断(5秒触发一次)
- 初次加载并执行程序A
运行时切换：
- 定时器每5秒触发一次中断
- 中断处理程序切换当前运行的程序
- 从Flash读取新程序到OCM
- 执行新加载的程序
- 通过串口输出切换信息

4.2 模块功能

QSPI Flash控制模块：
- 初始化QSPI设备
- 自动检测Flash容量
- 从Flash读取程序到内存
程序加载与执行模块：
- 将程序从Flash加载到OCM
- 执行加载的程序
- 管理程序切换标志
定时器中断模块：
- 配置5秒定时器
- 处理定时器中断
- 触发程序切换
状态输出模块：
- 通过串口输出切换信息
- 提供系统状态和错误信息

5. 需要调整的参数

根据实际项目需求，可能需要调整以下参数：

程序A偏移地址：
- 文件：CTRL_SYS/src/source/program_switch.c
- 参数：program_a_offset
- 当前值：0x00040000 (FSBL后的位置)
- 说明：根据实际FSBL大小可能需要调整
程序大小：
- 文件：CTRL_SYS/src/source/program_switch.c
- 功能：SwitchProgram()函数中的program_size
- 当前值：1024 * 1024 (1MB)
- 说明：根据实际程序大小调整
切换时间间隔：
- 文件：CTRL_SYS/src/source/program_switch.c
- 功能：SetupProgramSwitchTimer()函数
- 当前值：333000000 * 5 (5秒)
- 说明：根据需要调整切换频率
加载地址：
- 文件：CTRL_SYS/src/source/program_switch.c
- 参数：PROGRAM_LOAD_ADDR
- 当前值：0xFFFF0000 (OCM区域)
- 说明：根据实际内存布局可能需要调整

6. 前期准备工作

环境准备：
- 安装Xilinx Vivado 2018.3和SDK 2018.3
- 配置Zynq开发板和JTAG调试器
程序准备：
- 准备两个独立的程序二进制文件 (位于bin文件夹)
- 确保程序符合自立运行要求
Flash准备：
- 确保QSPI Flash正常工作并有足够容量
- 清除可能的现有程序干扰

7. 实际应用步骤

7.1 环境准备与项目打开

启动Xilinx Vivado 2018.3：
- 在Windows开始菜单中找到"Xilinx Design Tools" > "Vivado 2018.3" > "Vivado 2018.3"
- 等待Vivado完全启动（显示开始页面）
导入硬件描述文件：
- 点击"Open Project"按钮
- 导航到项目所在文件夹，选择.xpr项目文件，点击"OK"
- 等待项目完全加载
导出硬件设计：
- 在Vivado主界面左侧"Flow Navigator"中，点击"Program and Debug" > "Generate Bitstream"
- 如果出现提示，点击"Yes"运行所需的任何先前步骤
- 等待比特流生成完成（可能需要几分钟）
- 点击菜单"File" > "Export" > "Export Hardware..."
- 选中"Include bitstream"复选框
- 点击"OK"完成硬件平台导出
启动Xilinx SDK 2018.3：
- 在Vivado中，点击"File" > "Launch SDK"
- 或者单独启动SDK：在Windows开始菜单中找到"Xilinx Design Tools" > "SDx 2018.3" > "Xilinx SDK 2018.3"
- 如果单独启动，需要选择工作空间位置指向项目文件夹，点击"Launch"

7.2 添加程序切换功能实现

打开项目：
- 在SDK中，如果没有自动加载项目，点击"File" > "Open Projects from File System..."
- 选择项目路径，点击"Finish"
创建新文件：
- 右击项目中的"src/include"文件夹，选择"New" > "File"
- 命名为program_switch.h，点击"Finish"
- 复制上面提供的program_switch.h内容到该文件
- 保存文件（Ctrl+S）
- 同样方式，右击"src/source"文件夹，创建program_switch.c文件
- 复制上面提供的program_switch.c内容到该文件
- 保存文件（Ctrl+S）
修改现有文件：
- 在项目浏览器中双击打开src/include/timer_intr.h
- 按照前面描述的修改更新文件内容
- 保存文件（Ctrl+S）
- 双击打开src/source/main.c
- 添加program_switch.h头文件包含语句
- 在main函数中添加程序切换初始化代码
- 保存文件（Ctrl+S）
编译项目：
- 点击顶部工具栏上的锤子图标（Build All）或按Ctrl+B
- 等待编译完成，检查"Console"窗口中是否有错误信息
- 如有错误，根据提示修复后重新编译

7.3 生成二进制文件

创建FSBL（第一阶段引导加载程序）：
- 点击"File" > "New" > "Application Project"
- 输入项目名称（例如"fsbl"）
- 确保选择了正确的处理器和硬件平台
- 点击"Next"
- 选择"Zynq FSBL"模板
- 点击"Finish"
- 等待FSBL项目生成和编译完成
创建BOOT.bin文件：
- 点击"Xilinx" > "Create Boot Image"
- 在"Output BIF file path"中选择保存路径
- 确保"Output format"设置为"BIN"
- 在"Boot image partitions"部分：
  - 添加FSBL.elf作为第一个文件（类型为bootloader）
  - 添加您的应用程序.elf文件作为第二个文件（类型为datafile）
- 点击"Create Image"
导出二进制文件：
- 右击应用程序项目
- 选择"Build Project"确保最新构建
- 打开项目的Debug或Release文件夹
- 找到生成的.elf文件
- 右击项目，选择"Create Boot Image"
- 配置启动镜像包括FSBL和您的应用程序
- 点击"Create Image"生成BOOT.bin文件
准备独立二进制文件：
- 在SDK中，点击"Xilinx Tools" > "Create Zynq Boot Image"
- 点击"Add"按钮，添加ELF文件
- 对于"Partition type"选择"data"
- 点击"OK"，然后点击"Create Image"
- 这将在指定位置生成.bin文件
- 为两个程序分别执行此步骤，生成两个独立的bin文件
- 将生成的bin文件复制到开发板上的bin文件夹

7.4 将程序烧录到QSPI Flash

连接硬件：
- 将Zynq开发板通过JTAG/USB线缆连接到计算机
- 确保开发板电源已接通
- 确保跳线配置为JTAG引导模式
启动Xilinx硬件服务器：
- 在SDK中，点击"Xilinx" > "Xilinx Hardware Server Settings"
- 确认连接设置正确，点击"OK"
- 如果未自动连接，点击"Refresh"按钮查找设备
打开SDK终端：
- 在SDK中，点击"Window" > "Show View" > "Terminal"
- 在Terminal视图中，点击"+"按钮打开新终端
- 选择"Serial Terminal"
- 选择正确的COM端口（可在设备管理器中查看）
- 设置波特率为115200，数据位8，停止位1，无校验
- 点击"OK"
启动XSDB终端：
- 在SDK中，点击"Xilinx" > "XSDB Console"
- 在XSDB控制台中输入以下命令连接到处理器：
```
connect
```
- 查看可用目标设备：
```
targets
```
- 选择Cortex-A9处理器（通常为目标2）：
```
targets 2
```

擦除QSPI Flash：

在XSDB中输入以下命令停止处理器：
```
stop
```

擦除整个QSPI Flash（这可能需要几分钟）：

fpga -f [path_to_bit_file]/design_1_wrapper.bit
exec load_image {[path_to_fsbl]/fsbl.elf};
after 5000
rst
exec {ps7_init}
after 1000
dow [path_to_fsbl]/fsbl.elf
con
after 5000
stop

现在Flash已准备好编程

烧录程序A：
- 在XSDB控制台中输入以下命令：
```
dow -data [完整路径]/bin/programA.bin 0x00040000
```
- 等待操作完成，确认没有错误信息
确定Flash容量并烧录程序B：
- 查看QSPI Flash信息确定总容量（通常是16MB或32MB）
- 计算中点地址（例如16MB Flash的中点是0x00800000）
- 烧录程序B到中点位置：
```
dow -data [完整路径]/bin/programB.bin 0x00800000
```
- 等待操作完成
验证烧录结果：
- 在XSDB中使用以下命令读取Flash内容并验证：
```
rrd -bin [偏移地址] [长度] [输出文件路径]
```
- 例如，验证程序A：
```
rrd -bin 0x00040000 0x100000 verify_a.bin
```
- 使用文件比较工具比较原始文件和读取文件
配置启动模式并重启系统：
- 配置开发板跳线为QSPI引导模式
- 在XSDB中重启处理器：
```
rst
con
```
- 或者，断开电源并重新连接

7.5 监控与测试

连接串口终端：
- 确保SDK Terminal已配置好（或使用Tera Term、PuTTY等终端软件）
- 设置波特率：115200
- 数据位：8
- 停止位：1
- 奇偶校验：无
- 流控制：无
上电启动系统：
- 确保开发板设置为QSPI引导模式
- 接通电源或按下复位按钮

观察串口输出：

系统启动后应看到以下信息：

Initializing program switching functionality...
Flash size: xx MB
Program A offset: 0x00040000
Program B offset: 0x00800000
Program switch initialized successfully
Initial program: Program A
Initial program loaded successfully, executing...

验证程序切换：
- 等待约5秒钟，观察串口输出
- 应看到以下消息表示切换到程序B：
```
Timer triggered. Switching program...
Switching to Program B
Program loaded successfully, executing...
```
- 再等待5秒，应看到切换回程序A
长时间测试：
- 让系统持续运行至少30分钟
- 确认程序每5秒稳定切换
- 观察是否有任何错误消息或异常行为
故障排查：
- 如果没有看到预期输出，检查串口连接和设置
- 如果输出中断，检查电源稳定性
- 如果程序未切换，确认QSPI Flash烧录成功
- 如果出现错误消息，记录下来并检查相应代码逻辑

8. 注意事项

程序A和程序B需要设计为可重入，保证切换后系统状态一致
使用英文进行串口输出，确保信息正确显示
程序切换过程中可能暂时中断其他功能，需在设计中考虑
处理器缓存控制关键，确保程序加载后正确执行
实际Flash容量可能与检测结果不同，可能需要手动调整
项目路径不应包含中文字符，避免编译和烧录问题
确保使用的Vivado和SDK版本完全匹配（都是2018.3）
为避免意外断电导致数据丢失，建议使用稳定电源

文档版本：1.1
最后更新：2023年

Biubush博客

基于Zynq-7000 SoC的flash双冗余实现

Flash双冗余程序切换功能实现文档

1. 项目概述

2. 硬件参数

3. 修改文件说明

3.1 新建文件

3.2 修改文件

4. 项目流程与模块功能

4.1 整体流程

4.2 模块功能

5. 需要调整的参数

6. 前期准备工作

7. 实际应用步骤

7.1 环境准备与项目打开

7.2 添加程序切换功能实现

7.3 生成二进制文件

7.4 将程序烧录到QSPI Flash

7.5 监控与测试

8. 注意事项

biubush

Flash双冗余程序切换功能实现文档

1. 项目概述

2. 硬件参数

3. 修改文件说明

3.1 新建文件

3.2 修改文件

4. 项目流程与模块功能

4.1 整体流程

4.2 模块功能

5. 需要调整的参数

6. 前期准备工作

7. 实际应用步骤

7.1 环境准备与项目打开

7.2 添加程序切换功能实现

7.3 生成二进制文件

7.4 将程序烧录到QSPI Flash

7.5 监控与测试

8. 注意事项

Zynq-7000芯片flash双冗余

biubush