基于zynq7000的linux系統(tǒng)搭建設(shè)計(jì)

Zynq器件將arm和FPGA結(jié)合，利用了兩者各自的優(yōu)勢，arm可以實(shí)現(xiàn)靈活的控制，而FPGA部分可以實(shí)現(xiàn)算法加速，這大大擴(kuò)展了zynq的應(yīng)用。比如深度學(xué)習(xí)加速，圖像處理等等。PL側(cè)表示FPGA的邏輯部分，PS側(cè)為arm端以及一些AXI接口控制部分，二者實(shí)際上通過AXI接口實(shí)現(xiàn)通信和互聯(lián)。PS可以通過AXI來對(duì)PL邏輯部分進(jìn)行配置和控制，PL側(cè)通過AXI和PS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本章基于zynq7020器件來搭建Linux系統(tǒng)，描述搭建Linux系統(tǒng)過程中PL側(cè)的配置以及對(duì)u-boot，kenel，桌面系統(tǒng)的配置和編輯。

1. vivado工程創(chuàng)建

本文使用的是黑金的zynq7020開發(fā)板。搭建一個(gè)最基本的linux系統(tǒng)需要以下基本配置：

1）arm核的添加和配置。

打開vivado，新建工程。然后創(chuàng)建block，添加zynq processing system。圖中iic是后邊在開發(fā)IIC驅(qū)動(dòng)時(shí)添加的，最基本的linux系統(tǒng)可以不適用IIC。

圖1.1 添加zynq系統(tǒng)

2） bankIO電壓設(shè)置。

根據(jù)原理圖設(shè)置bank IO的電壓。如圖1.2所示。SD卡配置。

Linux系統(tǒng)安裝在SD卡中，所以需要完成SD卡配置，根據(jù)原理圖選擇SD卡的使用引腳。

圖1.2 IO電壓和SD卡配置

3） UART口配置。

需要用到串口進(jìn)行調(diào)試，所以配置串口MIO引腳。

圖1.3 串口引腳配置

4） DDR配置。

內(nèi)存是必須的。這里面已經(jīng)有內(nèi)存型號(hào)供你選擇，不需要在對(duì)DDR參數(shù)做配置，只選擇MT41J256M16RE-125就行了。

圖1.4 DDR配置

這樣就完成了一個(gè)Linux系統(tǒng)啟動(dòng)需要的最基本配置。接下來對(duì)工程進(jìn)行綜合和實(shí)現(xiàn)，生成bit，并在file菜單項(xiàng)中選擇export/export hardware，選擇include bitstream，點(diǎn)積OK就生成了linux系統(tǒng)需要的硬件工程。

接下來還需要生成啟動(dòng)u-boot的fsbl。這里簡單說一下linux系統(tǒng)啟動(dòng)的基本過程：

FSBL（完成IO電壓，SD卡，UART等硬件的檢測和基本配置，然后啟動(dòng)u-boot。）->U-boot（這個(gè)主要完成arm硬件的一些更進(jìn)一步檢測和配置，然后去啟動(dòng)kernel）->kernel（這個(gè)是linux系統(tǒng)需要的所有驅(qū)動(dòng)）->文件系統(tǒng)。

我們launch SDK，打開SDK生成fsbl和需要的設(shè)備樹。

New->application project->zynq FSBL，然后進(jìn)行編譯，就生成了fsbl.elf文件。如果我們也已經(jīng)生成了u-boot文件，就可以用SDK來制作boot.bin。我們可以選擇fsbl的工程，右鍵create boot image，然后選擇u-boot的路徑，partition type選擇dtafile。然后create image就會(huì)生成boot.bin了。我們?cè)趂sbl工程目錄中的bootimage文件夾下看到boot.bin。

圖1.5 選擇u-boot路徑

生成devicetree需要zynq的基本divecetree文件，可以在git上下載：https://github.com/Xilinx/device-tree-xlnx。下載的設(shè)備樹文件添加到SDK中的repositories中：

圖1.6 添加設(shè)備樹文件來生成設(shè)備樹

然后new->board support package project->device_tree，這樣就生成了設(shè)備樹源文件。源文件有以下幾個(gè)：

Zynq-7000.dtsi，這個(gè)是zynq-7000的默認(rèn)硬件配置，通常不需要修改。

pcw.dtsi，這個(gè)文件是針對(duì)自己的硬件平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步配置的。比如在zynq-7000中sdhci都是不使能的，在pcw.dtsi中就需要進(jìn)行使能，并配置sdhci0的statue為okay。

System-top.dtsi，其配置一些別名，并配置chosen，這個(gè)主要是選擇在啟動(dòng)硬件的時(shí)候如何和操作系統(tǒng)進(jìn)行通信，比如stdout-path選擇boot輸出介質(zhì)，一般都是串口輸出。

用這三個(gè)文件就可以了。

圖1.7 設(shè)備樹源文件生成

以上就完成了linux系統(tǒng)啟動(dòng)的硬件工程搭建，設(shè)備樹產(chǎn)生，以及fsbl產(chǎn)生。

2. u-boot編譯

下載u-boot源碼：https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx。

主要配置u-boot中的./configs/*_defconfig文件，這個(gè)主要是對(duì)arm端硬件進(jìn)行配置。這里我們就使用zynq_zc702_defconfig，當(dāng)然這里可以修改默認(rèn)設(shè)備樹文件和board_name. 比如將defconfig文件命名為board_name_defconfig，相應(yīng)有文件./include/configs/board_name.h來描述板卡信息。

然后在./include/configs中復(fù)制一份zynq_zc70x.h為你想要的板級(jí)名稱。這個(gè)時(shí)候我們需要修改zynq_common.h中的配置。由于我們的文件系統(tǒng)在SD卡的第二分區(qū)，所以需要修改宏定義：CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS，去除了ramdisk的啟動(dòng)。

然后建立uEnv.txt，在其中設(shè)置環(huán)境變量。如圖2.3所示。指定了文件系統(tǒng)所在位置為SD卡分區(qū)2。文件系統(tǒng)格式為ext3。

圖2.1 defconfig文件，紅框可以修改成為你的板卡的名字和設(shè)備樹名字

圖2.2 sdboot變量修改前和修改后

圖2.3 uEnv.txt中設(shè)置

接下來就是編譯u-boot了。需要用到交叉編譯工具arm-xilinx-linux-gnueabi。目前的vivado工具中已經(jīng)沒有這個(gè)交叉編譯工具了，可以到網(wǎng)上下載這個(gè)工具鏈。然后export PATH=$PATH: dir/bin?？梢栽贛akefile中設(shè)置默認(rèn)的編譯工具：

圖2.4 Makefile中設(shè)置編譯工具

然后make board_name_defconfig進(jìn)行配置，最后make就可以編譯出u-boot了。根目錄下的u-boot.elf正是我們需要的文件，用于合成boot.bin。在1節(jié)中已經(jīng)介紹了。

3. 編譯kernel

Kernel可以到git上下載，kernel包含所有的驅(qū)動(dòng)，如果進(jìn)行驅(qū)動(dòng)修改的話，可以在其中進(jìn)行配置。比如篩選某些驅(qū)動(dòng)。通常開發(fā)新的驅(qū)動(dòng)，并不需要在其中進(jìn)行修改。因?yàn)轵?qū)動(dòng)可以通過命令行在系統(tǒng)啟動(dòng)后動(dòng)態(tài)加載。所以只僅僅對(duì)驅(qū)動(dòng)編譯就行了，在Makefile中添加編譯工具，這個(gè)核u-boot一樣。然后make uImage LOADADDR=0x00008000就可以了。編譯完成后再arch/arm/boot中產(chǎn)生uImage，這個(gè)是我們要用到的內(nèi)核文件。

設(shè)備樹文件的編譯也很簡單，就是通過設(shè)備樹編譯工具dtc將dtsi文件編為dtc文件就行了，這里注意dtc文件名稱要和在u-boot中zynq-common.h中的設(shè)備樹文件名稱一樣。通常都為devicetree。編譯命令為：

dtc –I dtx –O dtb –o devicetree.dtb your.dts

文件系統(tǒng)可以使用linaro Ubuntu文件系統(tǒng)，從網(wǎng)上下載，解壓。這個(gè)時(shí)候需要對(duì)SD卡進(jìn)行分區(qū)，1區(qū)為fat格式，有200M就夠了，存放boot.bin，uImage，devicetree.dtb，uEnv.txt文件。第二區(qū)用ext3格式，存放linaro Ubuntu文件系統(tǒng)。

4. linux系統(tǒng)啟動(dòng)過程

圖4.1 fsbl啟動(dòng)

圖4.2 fsbl完成

圖4.3 u-boot啟動(dòng)：讀取env，uImage和設(shè)備樹

圖4.4 啟動(dòng)kernel

圖4.5 文件系統(tǒng)的啟動(dòng)

總結(jié)

本篇在zynq7000的基礎(chǔ)上，制作一個(gè)最基本的linux系統(tǒng)。整個(gè)流程包括工程創(chuàng)建，fsbl和設(shè)備樹生成，u-boot的配置和編譯，kernel編譯以及文件系統(tǒng)制作。

linux系統(tǒng)