[系统运维]Linux系统移植

一、概述

1.设计目标

• 1.u-boot可以正常运行，并正确引导Linux内核启动。其中Linux内核文件、设备树文件、PL部分描述文件通过TFTP服务加载，根文件系统通过NFS服务挂载。
• 2.使用一个MIO GPIO、一个EMIO GPIO、一个AXI GPIO共三个GPIO驱动三个LED灯显示系统运行状态。
• 3.通过USB接口可以进行U盘文件读取。
• 4.可以正常读取SD卡、EMMC中文件。

2.设计内容

• 1.系统硬件描述文件hdf。
• 1.系统启动文件BOOT.BIN，内包括zynq引导程序FSBL，Linux引导程序u-boot。
• 2.Linux内核文件zImage。
• 3.设备树文件system.dtb。
• 4.PL部分比特流文件system.bit。
• 5.根文件系统。

二、硬件平台搭建

根据设计目标与开发板设计搭建zynq硬件平台，需要开启外设SPI Flash、SD0、SD1、UART1、Ethernet0、USB0、MIO、EMIO，其中EMIO只需1位即可，此外还需添加AXI GPIO，同样开启1位。硬件设计如下图所示：

编译工程到处hdf文件design_1_wrapper.hdf。其中到处hdf文件时需要包含bit文件。

三、由hdf文件得到bit文件、设备树文件、FSBL

1.在系统用户目录下创建“work”文件夹作为工程目录，在work目录下创建“hdf”文件夹，将design_1_wrapper.hdf文件保存到此文件夹内。下载Xilinx device-tree，解压到“~/work/device-tree”目录下并重命名为device-tree。下载Xilinx embeddedsw解压到“~/work/embeddedsw”并重命名为embeddedsw，如下图所示：

2.在work目录下新建一个名为hsi.tcl的tcl脚本，内容入下：

hsi::open_hw_design ./hdf/design_1_wrapper.hdf
hsi::set_repo_path ./device-tree/device-tree
hsi::create_sw_design device-tree -os device_tree -proc ps7_cortexa9_0
hsi::generate_target -dir ./device-tree
hsi::set_repo_path ./embeddedsw/embeddedsw
hsi::generate_app -hw design_1_wrapper -os standalone -proc ps7_cortexa9_0 -app zynq_fsbl -compile -sw fsbl -dir ./embeddedsw

然后运行如下命令：

#建立一个软链接文件 gmake，链接到 make
sudo ln -s /usr/bin/make /usr/bin/gmake
#执行tcl命令
xsct hsi.tcl

程序会根据hdf文件得到bit文件、设备树文件、zynq引导程序，如下图所示。将bit文件复制到TFTP服务目录下并更名为system.bit。

3.将system-top.dts修改为如下内容：

/*
 * CAUTION: This file is automatically generated by Xilinx.
 * Version:  
 * Today is: Mon Jan 10 19:24:27 2022
 */


/dts-v1/;
#include "zynq-7000.dtsi"
#include "pl.dtsi"
#include "pcw.dtsi"

#define GPIO_ACTIVE_LOW 1
#define GPIO_ACTIVE_HIGH 0

/ {
	chosen {
		bootargs = "earlycon";
		stdout-path = "serial0:115200n8";
	};
	aliases {
		ethernet0 = &gem0;
		serial0 = &uart1;
		spi0 = &qspi;
	};
	memory {
		device_type = "memory";
		reg = <0x0 0x40000000>;
	};
	usb_phy0: phy0@e0002000 {
 		compatible = "ulpi-phy";
 		#phy-cells = <0>;
 		reg = <0xe0002000 0x1000>;
 		view-port = <0x0170>;
		drv-vbus;
	};
	user-leds {
		compatible = "gpio-leds";
		gpio-led1 {
			label = "led1";
			gpios = <&axi_gpio_0 0 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
			linux,default-trigger = "heartbeat";
			default-state = "on";
		};
		gpio-led2 {
			label = "led2";
			gpios = <&gpio0 54 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
			linux,default-trigger = "heartbeat";
			default-state = "on";
		};
		gpio-led3 {
			label = "led3";
			gpios = <&gpio0 7 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
			linux,default-trigger = "heartbeat";
			default-state = "on";
		};
	};
};

&gem0 {
	local-mac-address = [00 0a 35 00 00 00];
};
&qspi {
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <0>;
	flash0: flash@0 {
		compatible = "n25q512a","micron,m25p80";
		reg = <0x0>;
		#address-cells = <1>;
		#size-cells = <1>;
		spi-max-frequency = <50000000>;
		partition@0x00000000 {
			label = "boot";
			reg = <0x00000000 0x00500000>;
		};
		partition@0x00500000 {
			label = "bootenv";
			reg = <0x00500000 0x00020000>;
		};
		partition@0x00520000 {
			label = "kernel";
			reg = <0x00520000 0x00a80000>;
		};
		partition@0x00fa0000 {
			label = "spare";
			reg = <0x00fa0000 0x00000000>;
		};
	};
};
&usb0 {
	dr_mode = "otg";
	usb-phy = <&usb_phy0>;
};

四、编译u-boot

1.添加设备树

1.将前面生成修改后的设备树文件pcw.dtsi、pl.dtsi、system-top.dts以及 zynq-7000.dtsi四个文件拷贝到u-boot源码目录下的arch/arm/dts目录下。
2.在arch/arm/dts/Makefile文件中，找到dtb-$(CONFIG_ARCH_ZYNQ)这里，将system-top.dtb添加上去，如下图：

2.修改zynq-common.h和zynq_zc70x.h配置文件

1.在include/configs目录下，找到zynq-common.h与zynq_zc70x.h文件。
2.将zynq_zc70x.h中CONFIG_ZYNQ_I2C0和CONFIG_ZYNQ_EEPROM宏定义注释掉，如下图所示：

3.接下来修改zynq-common.h文件，打开该文件，修改CONFIG_CPU_FREQ_HZ（ARM主频），将频率由800000000修改为666666687。

修改CONFIG_SF_DEFAULT_SPEED（默认的QSPI速率），由30000000改为50000000，如下所示：

修改CONFIG_ENV_SIZE（环境变量大小），由(128 << 10)修改为0x20000：

修改CONFIG_ENV_OFFSET（环境变量存储位置偏移量），由0xE0000修改为0x500000：

需要注意CONFIG_ENV_SIZE和CONFIG_ENV_OFFSET这两个是u-boot环境变量存储有关的，与之前修改的设备树文件system-top.dts中对应：

3.u-boot配置

1.载u-boot源码目录下执行如下命令进行默认配置：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zynq_zc702_defconfig

2.执行如下命令进行图形化配置：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

执行命令后进入如下界面：

3.进行如下配置：

SPL / TPL --->
	[ ] Enable SPL // 取消
Command line interface --->
	Memory commands --->
		[ ] eeprom - EEPROM subsystem // 取消
	Device access commands --->
		[ ] i2c // 取消
Device Tree Control --->
	(system-top) Default Device Tree for DT control // 将设备树设置为 system-top（也就是 system-top.dts）

4.编译

配置完成后执行如下命令，编译u-boot

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j10

编译完成后在源码目录下可得到u-boot文件，其为elf格式的镜像文件。

5.生成BOOT.BIN文件

在u-boot源码目录下执行如下命令：

mv u-boot u-boot.elf
petalinux-package --boot -p ~/petalinux/LGD-ZYNQ --fsbl ~/work/embeddedsw/executable.elf --u-boot ./u-boot.elf -o ./BOOT.BIN --force

其中，~/petalinux/LGD-ZYNQ为一个Petalinux工程目录，~/work/embeddedsw/executable.elf为FSBL文件目录。执行后源文件目录下即可找到BOOT.BIN文件，如下图所示：

五、编译kernel

1.添加设备树

1.将前面生成修改后的设备树文件pcw.dtsi、pl.dtsi、system-top.dts以及zynq-7000.dtsi四个文件直接拷贝到内核源码目录下的arch/arm/boot/dts目录中。同样我需要修改arch/arm/boot/dts目录下的Makefile文件，将设备树添加上去，如下：
2.在arch/arm/boot/dts/Makefile文件中，找到 dtb-$(CONFIG_ARCH_ZYNQ)这里，将system-top.dtb添加上去，如下图：

2.kernel配置

1.在Linux源码目录下执行如下命令进行默认配置：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xilinx_zynq_defconfig

2.执行如下命令进行图形化配置：

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

执行命令后进入如下界面：

Xilinx官方的内核默认已经使能了U盘类设备的驱动，使用默认配置即可。

3.编译

执行如下命令，编译kernel

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage -j10

编译完成之后会在arch/arm/boot/目录下生成一个名为zImage的内核镜像文件，将其复制到TFTP服务目录下。

六、编译设备树

在Linux源码目录下执行如下命令，编译设备树。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- system-top.dtb -j10

编译成功之后会在arch/arm/boot/dts目录下生成system-top.dtb文件，将其复制到TFTP服务目录下，并更名为system.dtb。

七、编译rootfs

根文件系统我们直接使用之前Petalinux编译生成的根文件系统即可，使用如下命令将rootfs.tar.gz解压缩至NFS服务目录下，及/home/lgd/nfs/linux目录。

sudo tar -xzf rootfs.tar.gz -C /home/lgd/nfs/linux

解压完毕之后结果如下图所示：

八、启动开发板

1.确认TFTP服务目录下存在system.bit、system.dtb、zImage文件：

2.将BOOT.BIN文件复制到SD卡中，插入开发板，连接好串口、网线，开启开发板电源，打印信息如下：

3.在u-boot启动倒计时之前，按回车键停止启动，进入到u-boot的命令行模式，因为现在不能直接启动，我们需要对u-boot环境变量进行修改，在u-boot命令行下执行下面这些命令设置环境变量：

dhcp
setenv serverip 192.168.137.15
setenv loadbit_addr 0x100000
setenv bitstream_image system.bit
setenv kernel_load_address 0x2080000
setenv kernel_image zImage
setenv devicetree_load_address 0x2000000
setenv devicetree_image system.dtb
setenv rootpath /home/lgd/nfs/linux
setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=${serverip}:${rootpath}, tcp rw ip=${ipaddr}:${serverip}:${gatewayip}:${netmask} ::eth0:on console=ttyPS0,115200 earlyprintk

首先使用dhcp获取IP地址，然后设置所需环境变量。执行结果如下：

4.使用如下命令加载system.bit、zImage、system.dtb文件，并给PL加载bit文件：

tftpboot ${loadbit_addr} ${bitstream_image} && tftpboot ${kernel_load_address} ${kernel_image} && tftpboot ${devicetree_load_address} ${devicetree_image}
fpga loadb 0 ${loadbit_addr} ${bitstream_size}

执行结果如下：


5.使用如下命令启动Linux系统：

bootz ${kernel_load_address} - ${devicetree_load_address}

执行结果如下：

输入用户名“root”，密码“root”就可以登陆。

九、系统测试

1.LED测试

启动Linux系统后，可以观察到MIO GPIO、EMIO GPIO、AXI GPIO对应的三个LED灯闪烁。

2.SD卡测试

1.登陆系统之后执行df -h命令，如下图：

即可看到SD卡两个分区在系统中的目录，进入/run/media/mmcblk0p1目录：

可以看到之前复制到SD卡的BOOT.BIN文件。

3.EMMC测试

1.由于EMMC没有分区，所以系统不会自动挂载，需要先将EMMC进行设置，进入到/dev目录，可以找到EMMC对应的设备节点：

其中mmcblk0由上一节知道，其为SD卡，所以mmcblk1为EMMC对应的设备节点。
2.输入如下命令：

fdisk /dev/mmcblk1

按照下图步骤进行设置：

分区确认正确后输入“w”保存并退出，如下图：

设置成功后，查看/dev目录，mmcblk1p1即为EMMC的分区，如下图：

3.在/run/media目录下新建文件夹mmcblk1p1，输入如下命令将emmc格式化并挂载：

mkfs.vfat -F 32 -n emmc /dev/mmcblk1p1
mount /dev/mmcblk1p1 /run/media/mmcblk1p1

使用df -h查看，结果如下：

可见，EMMC已经成功挂载至系统。

4.USB U盘测试

1.将U 盘连接至开发板，会输出以下信息：

再次输入df -h命令，即可看到U盘已经挂载至系统，进入U盘目录，使用ls命令可查看U盘内文件，与将之连接至电脑时查看到的内容相同。

十、相关下载链接

device-tree xilinx-v2018.3
embeddedsw xilinx-v2018.3