概述
本文将以Zynq开发板为示例，介绍多种使用QSPI的方式启动PetaLinux的流程，并针对一些可能出现的问题提出解决方法。
1. Petalinux启动过程
总的来说，操作系统启动主要包括三个步骤：启动u-boot、加载内核、挂载根文件系统。
使用petalinux-package命令可以选择将哪些内容打包到BOOT.BIN中。例如，当使用以下命令时：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga |
则将fsbl.elf、system.bit（FPGA比特流文件）、u-boot.elf、system.dtb（设备树文件）打包到BOOT.BIN中，使用该BOOT.BIN可以启动至u-boot，还需要image.ub和boot.scr才能完整启动OS。
image.ub内部不仅包含内核 (Image)，当Root filesystem type选择为INITRAMFS方式时，还包含了文件系统（rootfs.cpio）。内核启动时会在内存中解压这个文件系统，系统启动完成后所看到的根目录完全存在于DDR内存中。
boot.scr是u-boot启动后，用于加载内核的脚本。
使用QSPI启动时，内核文件可以通过petalinux-package命令打包到BOOT.BIN中并烧写到Flash上。另一种方式是先将不含内核的BOOT.BIN文件烧写到Flash中，启动至u-boot后再通过SD卡或网络读取内核文件。这正是本文第3、4、5章将要详细介绍的内容。2. 在PS配置中打开QSPI
使用QSPI，需要在Zynq IP核配置中打开QSPI功能，并根据手册选择对应的MIO引脚。
3. PetaLinux QSPI Flash启动
将启动文件和内核等内容全部写入Flash中，系统启动时从Flash读取内容到内存并启动。
3.1 flash分区管理
这里需要对flash的分区进行管理，通常包括boot、bootenv、kernel、bootscr分区。
在petalinux-config -> Subsystem AUTO Hardware Settings -> Flash Settings中可以设置各分区的大小。
boot分区用于启动u-boot通常包括fsbl.elf、system.bit、u-boot.elf、system.dtb，也就是使用petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga命令打包到BOOT.BIN中的文件，boot分区的大小需要大于这些文件大小总和。
bootenv分区存放u-boot的环境变量。
kernel分区存放image.ub。
bootscr分区存放boot.scr。
通常boot分区和kernel分区需要设置较大值，根据文件的大小决定，注意这些分区总大小不要超过flash的大小。
3.2 设置fit image offset
虽然设置了flash中各个分区的大小，但是仍需要在配置中指定各个分区的偏移和大小，其中boot分区偏移默认从0开始，无需设置。
在petalinux-config -> u-boot Configuration -> u-boot script configuration -> QSPI/OSPI image offsets中设置fit image offset，fit image指的就是image.ub，所以就是kernel分区的偏移0x1640000（0x1500000+0x100000+0x40000）。
Kernel offset和Ramdisk offset也可以设置一下，虽然应该没什么用。
3.3 设置Boot script offset
设置petalinux-config -c u-boot -> ARM architecture -> Boot script offset，默认为0x9C0000，这里需要更改为bootscr分区的偏移0x1600000（0x1500000+0x100000）。
3.4 设置u-boot环境变量
然后在petalinux-config -c u-boot -> Environment中：
（1）取消勾选Environment is not stored、Environment is in a FAT filesystem、Environment in a NAND device。
（2）可选：取消勾选Enable redundant environment support。（避免混淆）
（3）设置offset和size，与前面flash setting中的bootenv分区设置一致。
3.5 打包启动文件
petalinux-build之后，使用：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga --kernel |
此时，image.ub和boot.scr也会被打包进BOOT.BIN中。
但出现offset重叠的问题：
观察petalinux-config -c u-boot->Boot script offset，发现自动更改回默认值，观察project-spec/meta-user/recipes-bsp/u-boot，其中files文件夹下存有用户配置文件，先前所修改的Boot script offset的配置保存在该文件中，在u-boot-xlnx_%.bbappend中，引用了该文件，所以先前的修改的配置理应生效。
3.6 解决offset重叠问题
这里有两种方法可以解决该问题：
（1）修改images/linux/bootgen.bif文件
将boot.scr的offset修改为0x1600000。
然后使用以下命令指定该bootgen.bif运行：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga --kernel --bif bootgen.bif |
（2）在命令中指定offset
bootgen.bif其实是运行petalinux-package所产生的，所以在petalinux-package时就可以指定boot.scr的偏移：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga --kernel --boot-script --offset 0x1600000 |
这两种方法都会出现以下warning：
这是因为fsbl.elf、system.bit、u-boot.elf、system.dtb都在boot分区中，它们的偏移都从0开始，所以这里提示有交叠。这里可以修改bootgen.bit或在命令行中指定fsbl等的偏移，但实际上运行以下指令以打印详细信息：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga --kernel --boot-script --offset 0x1600000 --bootgen-extra-args "-log trace" |
在shell窗口或bootgen_log.txt中可以看到：
这里它自动给各个文件分配了offset和length，只有boot.scr和image.ub是我们先前手动指定的offset。
所以这个warning只是提示的作用，可以忽略。
另外，也可以使用以下命令生成MCS格式的启动文件：
1 | petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga --kernel --boot-script --offset 0x1600000 --format MCS |
运行后在images/linux下出现boot.mcs文件。
3.7 烧录启动文件到Flash
接下来使用Vivado或Vitis将BOOT.BIN或boot.mcs写入板子的flash中。
3.7.1 使用Vivado烧录
Open Target后点击Add Configuration Memory Device：
这里我的Zynq是2片256MB大小的Quad-SPIFLASH芯片（型号为W25Q256FVEI）组成8位带宽数据总线，所以需要选择qspi-x8-dual_parallel：
不过Vivado中并没有该型号，可以选择一个近似的比如w25q128fv，也可以手动添加，在Vivado/2023.1/data/xicom目录下找到xicom_cfgmem_part_table.csv，添加一栏：
| 998 | 0 | w25q256fv-qspi-x8-dual_parallel | zynq7000 - | w25q256fv | qspi | 256 | x8-dual_parallel | Winbond | 1 | w25q256fv-qspi-x8-dual_parallel | w25q | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
重新启动Vivado即可看到该新增的型号：
在Hardware界面中选中该memory，点击Program Configuration Memory Device。
然后选择需要烧写的文件即可：
这里需要一个fsbl，在Vitis中创建一个platform build后就可以找到fsbl。
3.7.2 Vitis烧录
点击上方的Vitis -> Program Flash
只需要指定Image File的路径指向BOOT.BIN或boot.mcs，然后指定Flash Type。
3.8 启动
将板子设置成QSPI启动模式，打开串口调试，启动板子。由于u-boot配置中，Boot script offset默认为0x9c0000，所以这里启动时仍然从0x9c0000读取boot.scr，然而在petalinux-package时已经把boot.scr放到了0x1600000的位置上，所以这里会启动失败。
这里需要修改环境变量setenv script_offset_f 0x1600000并通过saveenv保存：
然后重新启动板子即可。如果环境变量有问题，无法使用先前设定的环境变量，可能会出现以下提示：
可以在u-boot中手动执行boot.scr的内容，加载位于Flash 0x1640000位置的内核镜像到内存0x10000000的位置上，然后启动该位置的内核：
1 | sf probe 0 0 0 |
如果不想每次都进入u-boot界面，希望一次性启动OS，可以修改project-spec/meta-user/recipes-bsp/u-boot/files/bsp.cfg，将0x9c0000改成0x1600000。也可以参考第九节设定自定义启动命令。
4. PetaLinux QSPI Flash+SD卡启动
先将不带内核的BOOT.BIN烧写到Flash中，启动u-boot后从SD卡读取内核并启动内核。
这样做理论上不需要去手动划分各个分区，并设置分区的偏移和大小，直接使用petalinux-package --boot --force --u-boot --fsbl --fpga即可得到不带内核的BOOT.BIN。
如果前面烧写了带内核的BOOT.BIN，这里烧写时应选择Entire Configuration Memory Device，否则只erase一部分flash，之前烧写的内核依然在flash中，启动时仍然可能会直接启动整个OS。
将image.ub拷贝到sd卡中（FAT32分区）。
可选：在u-boot中查看sd卡设备信息，及其文件系统中是否有image.ub：
加载内核并启动：
1 | mmc dev 0 |
5. PetaLinux QSPI Flash+TFTP启动
同样先将不带内核的BOOT.BIN烧写到Flash中启动u-boot，然后通过TFTP的方式获取内核并启动内核。
5.1 配置TFTP服务器
参考网站配置tftp服务器：
在petalinux-config -> Image Packaging Configuration中设置tftp文件夹路径：
这样就可以将images/linux下的文件自动拷贝到tftp文件夹中。当然，也可以自己手动将image.ub复制到tftp文件夹中。
5.2 网络配置
为了让板子能够连接到虚拟机，虚拟机需要配置桥接模式的网卡：
然后打开编辑 -> 虚拟网络编辑器：
点击右下角”更改设置”，然后将VMnet0的网卡选择为以太网的网卡。
分别设置主机和虚拟机的网络地址，使其在同一子网下：
在u-boot界面设置服务器ip为虚拟机的ip地址，同时设置板子的ip地址：
1 | setenv serverip 192.168.2.150 |
确保连接正常：
加载内核并启动：
1 | tftpboot 0x10000000 image.ub |
如果网络不稳定，可能loading时候会打印T，累计超过10个T就自动结束loading。此时可以更换网线，但最好是在petalinux-config -c u-boot -> Networking support中调整重传时间为10000ms和重传次数为255。同时增大size of buffer、block size和window size来提升网络传输速度（实测增大参数后由300多KB/s上升至10MB/s）。
6. bootm出现inflate() returned -5，gzip uncompress error
这里是解压内核出现了问题，可能是内核太大原因，可以在petalinux-config -> Image Packaging Configuration —> Root filesystem type中，选择EXT4，这样它就不会将文件系统放到内核中，而是直接挂载SD卡的文件系统。（实测内核大小从600M下降到20M）
也可以直接使用未压缩的内核。
查看petalinux-config -> u-boot Configuration -> u-boot script configuration -> Kernel image name，有的叫uImage，有的叫Image。
在images/linux目录下，将uImage/Image、system.dtb拷贝到SD卡中或者tftp目录下。
在u-boot界面，如果拷贝在SD卡中，则运行以下指令：
1 | mmc dev 0 |
读取到内存中的地址可以根据文件的大小决定，这边我的system.dtb大小为20多KB，从0x1F000000-0x20000000有16MB的大小，足够装下该文件。
booti命令格式为：booti addr [initrd[:size]] [fdt]
所需的三个参数分别是内核地址、文件系统地址和设备树地址。如果Root filesystem type选择为EXT4，则文件系统地址不需要指定，用”-“代替，否则它会解压并使用该位置的文件系统而不是来自SD卡的文件系统。如果Root filesystem type为INITRAMFS时，文件系统直接包含在Image里面，此时无论指不指定文件系统地址都可以。
如果需要指定该参数，先把rootfs.cpio.gz.u-boot也拷贝到SD卡里，然后加载到内存：
1 | fatload mmc 0:1 0x60000000 rootfs.cpio.gz.u-boot |
使用以下命令启动：
1 | booti 0x20000000 0x60000000 0x1F000000 |
此时无论Root filesystem type是什么，都会以该文件系统启动内核。
如果放在tftp文件夹下，则运行以下指令：
1 | tftpboot 0x1F000000 system.dtb |
7. 读取SD卡文件出现Error reading cluster，Failed to load ‘xxx’
如果出现以下问题：
可以尝试将文件放到SD卡的ext4分区（这里我的ext4分区还有文件系统），创建一个文件夹以放置这些文件：
然后使用ext4load读取文件：
1 | mmc dev 0 |
如果依然出现问题，可以反复运行这两条指令（两条指令之间间隔两三秒）或重启或更换SD卡，有可能成功：
如果多次出现Transfer data timeout且重启依然如此，可能是文件太大的问题：
通过以下命令将Image拆成多份：
1 | split -b 128M Image Image.part |
根据文件大小生成多个Image.partxx文件，将其复制到SD卡中。
然后在u-boot中依次加载各文件，需要注意地址，前面设置每份大小是128M，所以这里相隔0x8000000：
1 | mmc dev 0 |
8. 挂载SD卡文件系统
如果使用SD卡的文件系统启动OS有问题，可以使用INITRAMFS的方式启动OS，然后在/mnt下创建一个文件夹，将SD卡挂载到该文件夹下。
挂载之后可以读写SD卡文件系统中的文件：
9. 设置自定义启动命令
为了避免每次都进入u-boot然后手动启动，这里可以设置启动命令，启动u-boot后自动执行这些命令。
设置petalinux-config -c u-boot -> Boot options -> bootcmd value，各命令之间用”&&”分隔。
10. 总结
总结
根据自身的情况选择不同的方法，直接将各种启动文件打包到BOOT.BIN中启动是最简单的方法。但如果不想配置flash分区，则可以使用不带内核的BOOT.BIN启动至u-boot，再使用SD卡或TFTP获取内核。
如果执行bootm解压内核时出现问题，则尝试使用EXT4文件系统而非INITRAMFS从而降低BOOT.BIN的大小。如果没有SD卡或SD文件系统启动有问题无法选择EXT4文件系统，则使用booti启动未压缩的内核，此时需要在启动u-boot后使用TFTP的方式获取未压缩的内核、设备树文件、文件系统（可选）。
