基于zynq7000的linux系统搭建设计

Zynq器件将arm和FPGA结合，利用了两者各自的优势，arm可以实现灵活的控制，而FPGA部分可以实现算法加速，这大大扩展了zynq的应用。比如深度学习加速，图像处理等等。PL侧表示FPGA的逻辑部分，PS侧为arm端以及一些AXI接口控制部分，二者实际上通过AXI接口实现通信和互联。PS可以通过AXI来对PL逻辑部分进行配置和控制，PL侧通过AXI和PS进行数据交互。本章基于zynq7020器件来搭建Linux系统，描述搭建Linux系统过程中PL侧的配置以及对u-boot，kenel，桌面系统的配置和编辑。

1. vivado工程创建

本文使用的是黑金的zynq7020开发板。搭建一个最基本的linux系统需要以下基本配置：

1）arm核的添加和配置。

打开vivado，新建工程。然后创建block，添加zynq processing system。图中iic是后边在开发IIC驱动时添加的，最基本的linux系统可以不适用IIC。

图1.1 添加zynq系统

2） bankIO电压设置。

根据原理图设置bank IO的电压。如图1.2所示。SD卡配置。

Linux系统安装在SD卡中，所以需要完成SD卡配置，根据原理图选择SD卡的使用引脚。

图1.2 IO电压和SD卡配置

3） UART口配置。

需要用到串口进行调试，所以配置串口MIO引脚。

图1.3 串口引脚配置

4） DDR配置。

内存是必须的。这里面已经有内存型号供你选择，不需要在对DDR参数做配置，只选择MT41J256M16RE-125就行了。

图1.4 DDR配置

这样就完成了一个Linux系统启动需要的最基本配置。接下来对工程进行综合和实现，生成bit，并在file菜单项中选择export/export hardware，选择include bitstream，点积OK就生成了linux系统需要的硬件工程。

接下来还需要生成启动u-boot的fsbl。这里简单说一下linux系统启动的基本过程：

FSBL（完成IO电压，SD卡，UART等硬件的检测和基本配置，然后启动u-boot。）->U-boot（这个主要完成arm硬件的一些更进一步检测和配置，然后去启动kernel）->kernel（这个是linux系统需要的所有驱动）->文件系统。

我们launch SDK，打开SDK生成fsbl和需要的设备树。

New->application project->zynq FSBL，然后进行编译，就生成了fsbl.elf文件。如果我们也已经生成了u-boot文件，就可以用SDK来制作boot.bin。我们可以选择fsbl的工程，右键create boot image，然后选择u-boot的路径，partition type选择dtafile。然后create image就会生成boot.bin了。我们在fsbl工程目录中的bootimage文件夹下看到boot.bin。

图1.5 选择u-boot路径

生成devicetree需要zynq的基本divecetree文件，可以在git上下载：https://github.com/Xilinx/device-tree-xlnx。下载的设备树文件添加到SDK中的repositories中：

图1.6 添加设备树文件来生成设备树

然后new->board support package project->device_tree，这样就生成了设备树源文件。源文件有以下几个：

Zynq-7000.dtsi，这个是zynq-7000的默认硬件配置，通常不需要修改。

pcw.dtsi，这个文件是针对自己的硬件平台进行进一步配置的。比如在zynq-7000中sdhci都是不使能的，在pcw.dtsi中就需要进行使能，并配置sdhci0的statue为okay。

System-top.dtsi，其配置一些别名，并配置chosen，这个主要是选择在启动硬件的时候如何和操作系统进行通信，比如stdout-path选择boot输出介质，一般都是串口输出。

用这三个文件就可以了。

图1.7 设备树源文件生成

以上就完成了linux系统启动的硬件工程搭建，设备树产生，以及fsbl产生。

2. u-boot编译

下载u-boot源码：https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx。

主要配置u-boot中的./configs/*_defconfig文件，这个主要是对arm端硬件进行配置。这里我们就使用zynq_zc702_defconfig，当然这里可以修改默认设备树文件和board_name. 比如将defconfig文件命名为board_name_defconfig，相应有文件./include/configs/board_name.h来描述板卡信息。

然后在./include/configs中复制一份zynq_zc70x.h为你想要的板级名称。这个时候我们需要修改zynq_common.h中的配置。由于我们的文件系统在SD卡的第二分区，所以需要修改宏定义：CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS，去除了ramdisk的启动。

然后建立uEnv.txt，在其中设置环境变量。如图2.3所示。指定了文件系统所在位置为SD卡分区2。文件系统格式为ext3。

图2.1 defconfig文件，红框可以修改成为你的板卡的名字和设备树名字

 

图2.2 sdboot变量修改前和修改后

图2.3 uEnv.txt中设置

接下来就是编译u-boot了。需要用到交叉编译工具arm-xilinx-linux-gnueabi。目前的vivado工具中已经没有这个交叉编译工具了，可以到网上下载这个工具链。然后export PATH=$PATH: dir/bin。可以在Makefile中设置默认的编译工具：

图2.4 Makefile中设置编译工具

然后make board_name_defconfig进行配置，最后make就可以编译出u-boot了。根目录下的u-boot.elf正是我们需要的文件，用于合成boot.bin。在1节中已经介绍了。

3. 编译kernel

Kernel可以到git上下载，kernel包含所有的驱动，如果进行驱动修改的话，可以在其中进行配置。比如筛选某些驱动。通常开发新的驱动，并不需要在其中进行修改。因为驱动可以通过命令行在系统启动后动态加载。所以只仅仅对驱动编译就行了，在Makefile中添加编译工具，这个核u-boot一样。然后make uImage LOADADDR=0x00008000就可以了。编译完成后再arch/arm/boot中产生uImage，这个是我们要用到的内核文件。

设备树文件的编译也很简单，就是通过设备树编译工具dtc将dtsi文件编为dtc文件就行了，这里注意dtc文件名称要和在u-boot中zynq-common.h中的设备树文件名称一样。通常都为devicetree。编译命令为：

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

文件系统可以使用linaro Ubuntu文件系统，从网上下载，解压。这个时候需要对SD卡进行分区，1区为fat格式，有200M就够了，存放boot.bin，uImage，devicetree.dtb，uEnv.txt文件。第二区用ext3格式，存放linaro Ubuntu文件系统。

4. linux系统启动过程

图4.1 fsbl启动

图4.2 fsbl完成

图4.3 u-boot启动：读取env，uImage和设备树

图4.4 启动kernel

图4.5 文件系统的启动

总结

本篇在zynq7000的基础上，制作一个最基本的linux系统。整个流程包括工程创建，fsbl和设备树生成，u-boot的配置和编译，kernel编译以及文件系统制作。

linux系统