《DFZU2EG_4EV MPSoC开发板之嵌入式Linux 驱动开发指南》 第六章 Petalinux设计流程实战（上）

正点原子运营

第六章 Petalinux设计流程实战

1）实验平台：正点原子 DFZU2EG_4EV MPSoC开发板

2) 章节摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC开发板之嵌入式Linux 驱动开发指南 V1.0

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz-MPSOC.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）Linux技术交流QQ群:887820935

PetaLinux工具提供了在Xilinx处理系统上自定义、构建和部署嵌入式Linux解决方案所需的一切。该解决方案旨在提高设计生产力，可与Xilinx硬件设计工具一起使用，以简化针对Zynq SoC的Linux系统的开发。本章我们以使用Petalinux定制Linux系统为例，实战Petalinux的设计流程，看下Petalinux如何简化Linux系统的开发。

6.1 ZynqUltraScale+ MPSoC嵌入式软件栈概述

要想在Zynq UltraScale+ MPSoC中搭建运行Linux，我们需要先简单的了解下其嵌入式软件栈，如下图所示：                              

图 6.1.1 Zynq UltraScale+ MPSoC嵌入式软件栈

在Zynq UltraScale+ MPSoC设备中，有一个BootROM用于设备的初始启动。配置和安全部件CSU(Configuration and Security Unit)处理器使用BootROM中的代码。在这个配置阶段，BootROM(CSU ROM代码的一部分)解释引导头部（bootheader）来配置系统，并以安全或者非安全引导模式将处理系统(PS，processingsystem)的第一阶段引导加载程序(FSBL，first-stage boot loader)代码加载到片上RAM(OCM，on-chip RAM)中。引导头部定义了许多引导参数，包括安全模式和应该执行FSBL的处理器。引导头部参数可以在Zynq UltraScale+器件手册UG1085中找到。在启动过程中，CSU还将PMU用户固件(PMU FW)加载到PMU RAM中，与PMU ROM一起提供平台管理服务。对于基于xilinx的FSBL和系统软件，大多数系统中都必须有PMU FW。在PMU固件加载前加载FBSL是默认配置。有些系统会切换顺序，首先加载PMU固件。

1)       FSBL

FSBL是Zynq UltraScale + MPSoC的第一阶段引导加载程序，由BootROM引导加载到片上RAM中并启动，用于配置FPGA（使用bitstream，如果存在的话）和从非易失性Flash(SD/eMMC/NAND/QSPI)加载裸机镜像或者操作系统的第二阶段引导加载程序镜像到内存(DDR/OCM)。

2)       Platform Management Unit (PMU)Firmware

PMU控制系统的上电、复位和监控系统内的资源。Zynq MPSoC中的平台管理单元(PMU)有一个带有32KB ROM和128 KB RAM的Microblaze。启动时，ROM被PMU Boot ROM (PBR)预加载，PBR用于执行预启动任务，进入服务模式。有关PMU、PBR和PMUFW加载顺序的更多细节，请参阅ZynqUltraScale+器件手册UG1085中的平台管理单元(第6章)。PMU RAM可以在运行时加载固件(PMUFirmware)，并可用于扩展或定制PMU的功能。

3)       ARM Trusted Firmware

ARM TrustedFirmware(ATF)为ARMv8-A架构的安全软件提供了参考，它提供了各种接口标准的实现，如PSCI(PowerState Coordination Interface，电源状态协调接口)和用于与Normalworld software接口的安全监控代码。

4)       U-Boot

U-Boot是Universal Boot Loader的简称，是一个开源的、主要的引导加载程序，用于嵌入式设备中引导设备的操作系统内核，在Linux社区中经常使用。Xilinx在Zynq Ultrascale+设备中使用U-Boot作为第二阶段引导加载程序。关于U-Boot的更详细的介绍和使用请参考第十一章U-Boot使用实验。

5)       Hypervisor (Optional，可选)

在Zynq UltraScale+设备上，可以使用hypervisor运行多个虚拟机。Zynq UltraScale+设备上支持几种hypervisor，该榜单可在EmbeddedSoftware EcoSystem网站Xilinx.com上找到。

6)       Linux

Linux，全称GNU/Linux，是一种免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，是我们本开发指南的重点。

以上就简单的介绍了Zynq UltraScale+ MPSoC嵌入式软件栈，如果没有看懂没关系，笔者这里简单的概括下。ZynqUltraScale+ MPSoC上电后，首先由BootROM对zynq设备进行初始启动，然后引导加载fsbl到OCM并启动fsbl；fsbl启动后加载PMU Firmware，然后加载ARM Trusted Firmware，配置DDR，最后将uboot加载到DDR并启动uboot；uboot启动后可选的加载hypervisor，并在hypervisor上运行linux系统，一般我们不使用hypervisor，而是直接使用uboot加载linux系统镜像到DDR并启动linux，至此整个linux系统启动完成。

综上，就是需要在Zynq UltraScale+ MPSoC运行linux系统所需要搭建的软件栈。如果这些软件栈由我们一个个手工搭建，任务量极其庞大，所幸的是，Xilinx推出了Petalinux开发工具，可以让我们方便快捷的完成这些软件栈的搭建，从而加快linux的使用和开发。

注：上面介绍了那么多软件栈，并不需要我们全部了解。以uboot为分界线，uboot以下的是跟zynq芯片密切相关的，是很底层的内容，一般不需要额外配置，让Petalinux工具自动适配即可。从uboot开始，跟zynq芯片的关联就弱了很多，uboot和linux内核可以适用与其他芯片平台，其知识点是通用的，也是我们需要关注的。

6.2 Petalinux工具的设计流程概述

通常PetaLinux工具遵循顺序设计流程模型，如下表所示：

表6.2.1设计流程表

从上表可以看到，使用Vivado搭建好硬件平台后，通过几个命令就完成了Linux系统的定制，极其方便。

需要说明的是以上设计流程不是按部就班的每一步都执行一遍，可以根据使用场景有选择的执行。一般的设计流程如下：

1.       通过Vivado创建硬件平台，得到xsa文件；

2.       运行 source <petalinux安装路径>/settings.sh，设置Petalinux运行环境

3.       通过petalinux-create -t project创建petalinux工程；

4.       使用petalinux-config --get-hw-description，将xsa文件导入到petalinux工程当中并配置petalinux工程；

5.       使用petalinux-config -c kernel配置Linux内核；

6.       使用petalinux-config -c rootfs配置Linux根文件系统；

7.       配置设备树文件；

8.       使用petalinux-build编译整个工程；

9.       使用petalinux-package --boot制作BOOT.BIN启动文件；

10.   制作SD启动卡，将BOOT.BIN和image.ub以及根文件系统部署到SD卡中；

11.   将SD卡插入开发板，并将开发板启动模式设置为从SD卡启动；

12.   开发板连接串口线并上电启动，串口上位机打印启动信息，登录进入Linux系统。

6.3 使用Petalinux定制Linux系统

现在我们以使用Petalinux定制Linux系统为例，来实战下Petalinux的设计流程，体验Petalinux对Linux系统开发的简便之处。

6.3.1 创建Vivado硬件平台

在《DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南》中我们创建了很多Vivado工程，相信大家对vivado工程的创建已经非常熟悉了，为了节省时间，这里我们统一使用正点原子为DFZU2EG_4EVMPSoC开发板配置的vivado工程，该工程在开发板资料包中已经给大家提供了，路径为：4_SourceCode\3_Embedded_Linux\vivado_prj，在该目录下有两个目录——2eg和4ev，分别存放着ATK_DFZU2EG和ATK_DFZU4EV开发板的vivado工程，其中的base目录中的vivado工程就是我们本章节需要使用的vivado工程，为了方便读者的下载，以压缩包文件的形式提供的。这里大家根据自己所使用的开发板来选择，笔者以ATK_DFZU4EV MPSoC开发板为例，将4ev目录下的base.zip在Windows系统下解压得到vivado工程目录base，进入到该目录下，如下所示：

图6.3.1 vivado工程目录

该目录下有一个system_wrapper.xsa文件，该文件包含着Vivado工程所对应的硬件平台信息，Petalinux根据这些信息来配置fsbl、uboot、内核等。

将该文件拷贝到Ubuntu系统下。譬如笔者在4.2节创建的share文件夹下创建一个xsa文件夹，并将system_wrapper.xsa文件复制到该文件夹下，如下所示：

图6.3.2将xsa文件复制到share/xsa共享目录下

这样Ubuntu系统就可以通过访问该文件夹来使用xsa文件，相当于将该xsa文件复制到Ubuntu系统下。

6.3.2 设置Petalinux环境变量

现在进入到Ubuntu系统中，打开终端，以普通用户运行即可，不需要使用root用户。在正式使用petalinux工具之前，需要先设置petalinux的作环境，在终端输入如下命令即可：

1. source /opt/pkg/petalinux/2019.2/settings.sh
   
2. #或者
   
3. sptl

复制代码

执行结果如下图所示：

图 6.3.3 设置petalinux工作环境

6.3.3 创建petalinux工程

为了方便工程的管理，我们在使用的用户的家目录下新建一个workspace/petalinux目录，作为petalinux的工程目录。在终端中输入如下命令新建workspace/petalinux目录并切换到该目录：

1. cd
   
2. mkdir -p workspace/petalinux/
   
3. cd workspace/petalinux/

复制代码

现在我们创建一个名为“ALIENTEK-ZYNQ”的Petalinux工程，在终端中输入如下命令：

petalinux-create -t project --template zynqMP -n ALIENTEK-ZYNQ

template参数表明创建的petalinux工程使用的平台模板，此处的zynqMP表明使用的是zynqMP Soc平台模板的petalinux工程，用于Zynq UltraScale+ MPSoC系列的芯片。name参数（此处简写为“-n”）后接的是petalinux工程名，如此处的“ALIENTEK-ZYNQ”。执行结果如下图所示：

图 6.3.4 创建Petalinux工程

可以看到该命令会自动在work/petalinux目录下创建一个名为ALIENTEK-ZYNQ的文件夹，也就是ALIENTEK-ZYNQ对应的Petalinux工程所在目录。

6.3.4 配置petalinux工程

首次配置Petalinux工程是将xsa文件导入到Petalinux工程中，Petalinux工具会解析xsa文件并弹出配置窗口。在终端中输入如下命令配置Petalinux工程：

1. cd ALIENTEK-ZYNQ
   
2. petalinux-config --get-hw-description /mnt/hgfs/share/xsa/

复制代码

即进入到ALIENTEK-ZYNQ文件夹，并配置petalinux工程。“petalinux-config --get-hw-description”命令后面的文件夹就是我们复制到Windosw系统下的share共享目录中的xsa文件夹，如果是通过其他方式如FTP传到Ubuntu系统中的，只要执行“petalinux-config--get-hw-description xsa文件夹所在位置”即可。如果后面修改了Vivado工程，重新生成xsa文件后，可以重新执行“petalinux-config--get-hw-description xsa文件所在文件夹所在位置”以重新配置Petalinux工程。

执行结果如下图所示：

图 6.3.5 配置petalinux工程

注：此处应该弹出petalinux工程配置窗口，如果没有弹出可能是因为终端窗口有点小，建议拉大终端窗口。

弹出petalinux工程配置窗口，如下图所示：

图 6.3.6 petalinux工程配置窗口

需要注意的是该窗口不可以使用鼠标操作，只能通过键盘操作，界面上方的英文就是简单的操作说明，操作方法如下：

通过键盘上的“↑”和“↓”键来选择要配置的菜单，按下“Enter”键进入子菜单。菜单中高亮的字母就是此菜单的热键，在键盘上按下此高亮字母对应的键可以快速选中对应的菜单。选中子菜单以后按下“Y”键就会将相应的配置选项写入配置文件中，菜单前面变为“< * >”。按下“N”键不编译相应的代码，按下“M”键就会将相应的代码编译为模块，菜单前面变为“< M >”。按两下“Esc”键退出，也就是返回到上一级，按下“?”键查看此菜单的帮助信息，按下“/”键打开搜索框，可以在搜索框输入要搜索的内容。

在配置界面下方会有五个按钮，这五个按钮的功能如下：

<Select>：选中按钮，和“Enter”键的功能相同，负责选中并进入某个菜单。

<Exit>：退出按钮，和按两下“Esc”键功能相同，退出当前菜单，返回到上一级。

<Help>：帮助按钮，查看选中菜单的帮助信息。

<Save>：保存按钮，保存修改后的配置文件。

<Load>：加载按钮，加载指定的配置文件。

本实验我们无需更改该窗口的配置信息。不过由于该窗口菜单不多，我们就从上到下的简单地介绍下这些菜单。

首先按键盘上的下方向键移动到“Linux Components Selection”，然后按键盘上的“Enter”进入子菜单，子菜单内容如下图所示：

图 6.3.7 Linux Components Selection子菜单

中括号里的“*”表示为已使能配置。前两个选项表示会自动生成我们在《DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南》程序固化实验中的fsbl.elf文件和自动更新ps_init。下面两个选项用来配置u-boot和linux-kernel的来源，本实验保持默认来源配置，不做改动，后面的实验需要更改的时候再做介绍。按键盘上的“Esc”按键连按两次退出该子菜单。

“Auto Config Settings”菜单主要就是选择是否使能fsbl、pmufw、Device tree、Kernel和u-boot的自动配置，默认为自动配置，无需更改，就不看了。

“Subsystem AUTO Hardware Settings”子菜单的内容如下图所示：

图 6.3.8 Subsystem AUTO Hardware Settings子菜单

进入到该界面的各个外设子菜单中，可以发现都已经设置好了默认配置，这些默认配置是根据xsa文件的信息自动配置的，基本上无需我们手动配置；“SD/SDIO Settings”配置项用于配置开发板的首要启动媒介，即是从SD卡启动还是从eMMC启动。一般我们调试使用都是通过SD卡启动，因为SD卡读写文件方便，从而方便调试；eMMC一般是程序测试稳定后上市时使用，不会像SD卡那样因碰摔造成的松动。对于DFZU2EG_4EV MPSoC开发板来说，这里需要修改一下，因为DFZU2EG_4EV MPSoC开发板的SD卡接在PS的SD1控制器，如下图所示：

图 6.3.9 PS的SD1

首先光标移动到该配置项按回车进入，如下所示：

图 6.3.10 配置SD卡启动

在“Primary SD/SDIO”配置项中需要将其修改为psu_sd_1。psu_sd_1对应的就是SD卡。修改完成之后连按两次ESC键回到上一级菜单。

在“Advanced bootable images storage Settings”菜单中可配置启动引导镜像和内核镜像的存储媒介，默认为PrimarySD，这里保持默认即可。

图 6.3.11 Advanced bootable images storage Settings菜单

返回到主界面（按四次“ESC”按键），设备树设置菜单“DTGSettings”和ATF配置菜单“ARM Trusted FirmwareCompilation Configuration”等一般保持默认即可。

我们进入“Image Packaging Configuration”子菜单，如下图所示：

图 6.3.12 Image Packaging Configuration子菜单

第一个选项便是根文件系统的类型的配置，默认为INITRAMFS，一般默认即可，如果我们需要运行Ubuntu或Debian的根文件系统时，就需要配置成EXT(SD/eMMC/QSPI/SATA/USB)，NFS挂载启动需要配置成NFS。另外从该界面我们可以看到，有“Copy final images to tftpboot”选项，当在Ubuntu的根文件下创建一个名为tftpboot的文件夹时，工程生成镜像后会自动将相关文件复制到/tftpboot目录中。

回到主界面，“Firmware Version Configuration”可以用来修改定制的linux系统的主机名和产品名，默认与该Petalinux工程同名，如果需要可修改。“Yocto Settings”进行与Yocto相关的设置，这里就不做介绍了，一般保持默认即可。

按键盘上的右方向键（即右箭头），移动到底部的“Save”，按键盘上的“Enter”键，进入如下图所示的保存配置文件界面：

图 6.3.13 保存配置文件界面

按键盘上的“Enter”键确认，进入下图所示界面：

图 6.3.14 退出保存配置文件界面

再次按键盘上的“Enter”键确认，返会到原界面，按两次键盘上的“Esc”退出配置窗口。

如果后面想重新配置，只需输入“petalinux-config”命令即可重新配置。

这一步可能需要几分钟才能完成。这是因为PetaLinux会根据“Auto Config Settings --->”和“Subsystem AUTO Hardware Settings --->”来解析xsa文件，以获取更新设备树、U-Boot配置文件和内核配置文件所需的硬件信息。

等待一段时间后，完成petalinux工程的配置，如下图所示：

图 6.3.15 完成petalinux工程的配置

6.3.5 配置Linux内核

现在我们开始定制Linux内核，在终端输入如下命令：

1. petalinux-config -c kernel

复制代码

执行结果如下：

图 6.3.16 定制Linux内核

等一段时间后会在终端中创建一个名为“linux-xlnx Configuration”的标签页，也就是Linux内核的配置界面，如下图所示：

图 6.3.17 内核配置界面

可以看到Petalinux默认使用的内核版本为4.19.0，当然也可以换成其它版本的内核,不过修改起来比较麻烦，Petalinux对内核版本有要求，读者如需使用其他的内核版本可以在网上查找关于Petalinux使用非默认内核版本的方法。一般使用默认内核版本就可以了。

这里使用的内核Xilinx官方已经做好了基础配置，如无特定需求，无需更改。另外关于Linux内核的配置在后面的Linux内核移植章节进行讲解，此处就不多做介绍了。这里采用Xilinx官方的默认配置即可，保存配置并退出。

6.3.6 配置Linux根文件系统

在终端输入下面的命令可配置根文件系统，如果不需要配置可不执行该命令。

1. petalinux-config -c rootfs

复制代码

下图就是根文件系统的配置界面：

图 6.3.18 根文件系统的配置界面

默认配置可满足一般使用，也可以根据需求来定制根文件系统，本实验保持默认配置。需要说明的是“PetaLinux RootFS Settings”可以用来设置root用户的密码，默认为“root”。后面登录的时候会用到。

保存配置并退出。

6.3.7 配置设备树文件

关于设备树的概念，这里先不做介绍。设备树的概念源自于Linux内核当中，当然其实在U-Boot当中也已经使用了。如果需要配置设备树，可以编辑当前petalinux工程目录下的project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi文件。

我们可以打开这个文件进行编辑，将一些简单外设添加到系统当中，譬如按键、led和IIC设备。设备树用于保存Linux系统中的各种设备信息，内核在启动过程当中会去解析设备树文件，获取设备所需的配置信息完成设备的初始化工作。

设备树的概念以及相关配置、语法涉及到了Linux内核驱动相关知识，并不是本篇学习的重点，所以这里并不会去深入给大家介绍，将会在Linux驱动部分的章节做详细解说。

使用vi命令打开system-user.dtsi文件，如下所示：

1. vi project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi

复制代码

默认的文件内容如下，可见该文件需要我们自己手动配置。

图 6.3.19 system-conf.dtsi文件初始内容

我们把按键、led、USB和IIC设备的EEPROM添加到system-user.dtsi设备树当中，system-user.dtsi文件内容如下：

1. /include/ "system-conf.dtsi"
   
2. #include<dt-bindings/gpio/gpio.h>
   
3. #include<dt-bindings/input/input.h>
   
4. / {
   
5.     model = "AlientekZynq MpSoc Development Board";
   
6.    
   
7.     leds {
   
8.         compatible = "gpio-leds";
   
9.         gpio-led0 {
   
10.             label = "ps_led1";
    
11.             gpios = <&gpio 38 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
12.             linux,default-trigger= "timer";
    
13.         };
    
14.         gpio-led1 {
    
15.             label = "ps_led2";
    
16.             gpios = <&gpio 39 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
17.             default-state = "on";
    
18.         };
    
19.         gpio-led2 {
    
20.             label = "pl_led1";
    
21.             gpios = <&axi_gpio_0 0 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
22.             linux,default-trigger= "timer";
    
23.         };
    
24.         gpio-led3 {
    
25.             label = "pl_led2";
    
26.             gpios = <&axi_gpio_0 1 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
27.             default-state = "on";
    
28.         };         
    
29.     };
    
30.    
    
31.     keys {
    
32.         compatible = "gpio-keys";
    
33.         autorepeat;
    
34.         gpio-key,wakeup;
    
35.         
    
36.         gpio-key1 {
    
37.             label = "ps_key1";
    
38.             gpios = <&gpio 40 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
39.             linux,code =<KEY_UP>;
    
40.         };
    
41.         gpio-key2 {
    
42.             label = "ps_key2";
    
43.             gpios = <&gpio 41 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
44.             linux,code =<KEY_DOWN>;
    
45.         };
    
46.     gpio-key3 {
    
47.         label = "pl_key1";
    
48.         gpios = <&gpio 78 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
49.         linux,code =<KEY_LEFT>;  
    
50.     };
    
51.     gpio-key4 {
    
52.         label = "pl_key2";
    
53.         gpios = <&gpio 79 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
54.         linux,code =<KEY_RIGHT>;  
    
55.     };
    
56.     };
    
57. };
    
58. &gem3 {
    
59.     phy-handle =<&#240;ernet_phy>;
    
60.     local-mac-address= [000a 35 00 1e 53];
    
61.     ethernet_phy: ethernet-phy@7{     
    
62.         reg = <0x7>;
    
63.     };
    
64. };
    
65. &gem0 {
    
66.     psu_ethernet_0_mdio:mdio {
    
67.         #address-cells = <1>;
    
68.         #size-cells = <0>;
    
69.         phy1:phy@4 {
    
70.             reg = <0x4>;   /* YT8521 phy address */
    
71.         };
    
72.         gmii_to_rgmii_0:gmii_to_rgmii_0@0 {
    
73.                         compatible ="xlnx,gmii-to-rgmii-1.0";
    
74.                         phy-handle =<&phy1>;
    
75.                         reg =<0>;
    
76.         };
    
77.     };
    
78. };
    
79. &sdhci0 {
    
80. mmc-hs200-1_8v;
    
81. bus-width = <0x8>;
    
82. non-removable;
    
83. };
    
84. &sdhci1 {
    
85. disable-wp;
    
86. no-1-8-v;
    
87. };
    
88. &i2c0 {
    
89.     clock-frequency =<400000>;
    
90.     eeprom@50 {
    
91.         compatible = "24c64";
    
92.         reg = <0x50>;
    
93.         pagesize = <32>;
    
94.     };
    
95. };
    
96. &dwc3_0 {
    
97.     dr_mode = "host";
    
98.     maximum-speed ="super-speed";
    
99. };
    
100. &usb0 {
     
101.     dr_mode = "host";
     
102. };

复制代码

设备树配置内容在我们的例程源码当中已经提供了，路径为：“开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\zynq_petalinux\4ev\1_customize_linux\software\device-tree\system-user.dtsi”，大家可以用网盘中的文件替换当前Petalinux工程中的该文件。

设备树文件当中配置了4个gpio led灯，4个按键、i2c0和usb0，以及PS和PL的以太网。下面简单的讲解下gpioled的配置。

4个gpio led灯分别对应开发板的4个led灯，配置信息主要包括compatible（用于与内核驱动匹配的名字）、label（名字）、gpios（对应的GPIO管脚）、默认状态以及触发状态。

例如linux,default-trigger = " timer "表示默认的触发状态是timer模式，也可以改为heartbeat模式，可以用来判断系统是否还在运行。除此之外，还有其他一些内核定义好的触发状态；default-state = "on"表示默认led灯是亮着的；gpios = <&gpio 38 GPIO_ACTIVE_HIGH>表示该led的控制管脚是gpio_38，GPIO_ACTIVE_HIGH表示高电平有效（也就是高电平的时候led灯才会亮）。

其他的就不讲解了，后面驱动部分文档中会详细讲解。

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