ZYNQ学习之路1. Linux最小系统构建

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开发环境：window10, vivado 2017.1, ubuntu 16.04, Eclipse+cdt

硬件环境：米尔科技zturn board，zynq7z010

本笔记详细介绍了开发ZYNQ7000系列的基础软件系统构建，介绍了Vivado的使用以及IP核的配置，最后搭建能让ZYNQ运行arm linux系统的软件环境，在今后的开发过程中将在此基础上进行。在完整搭建好本系统之后建议保存为模板工程。

首先简单介绍一下ZYNQ开发linux的基本流程：ZYNQ的开发也是先硬件后软件的方法。具体流程如下：

在Vivado中新建工程，增加一个嵌入式的源文件。
    在Vivado里添加和配置PS和PL部分基本的外设，或需要添加自定义的外设。
    在Vivado里生成顶层HDL文件，并添加约束文件。再编译生成比特流文件system.bit。
    导出到SDK软件开发环境，在SDK环境里可以编写一些调试软件验证硬件和软件，结合比特流文件单独调试ZYNQ系统
    在SDK里生成FSBL文件。
    在VMware虚拟机里生成u-boot.elf bootloader镜像。
    在SDK里通过FSBL文件, 比特流文件system.bit和u-boot.elf文件生成一个boot.bin文件。
    在VMware里生成Linux的内核镜像文件zImage和Linux的文件系统ramdisk。另外还需要对FPGA自定义的IP编写驱动。
    把boot.bin，zimage和ramdisk三个文件放入到SD卡的FAT分区中，启动开发板电源，Linux操作系统会从SD卡里启动。

一. 准备Linux系统的内核、uboot、文件系统、设备树等文件

1.1 编译uboot

在工作空间建立uboot目录，进入uboot目录，解压uboot源码

<workdir>$ cd uboot
uboot$ tar -jxvf u-boot-xlnx.tar.bz2
uboot$ cd u-boot-xlnx

编译uboot：

u-boot-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- distclean
u-boot-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- zynq_zturn_config
u-boot-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi-

编译完成后，在当前目录下会生成"u-boot"ELF文件，将其重命名为"u-boot.elf"。

1.2 编译linux内核
在工作空间建立kernel目录，进入kernel目录，解压内核源码：

<workdir>$ cd kernel
kernel$ tar -xvjf linux-xlnx.tar.bz2
kernel$ cd linux-xlnx

开始编译：

linux-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- distclean
linux-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- zynq_zturn_defconfig
linux-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- uImage
linux-xlnx$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- dtbs

编译完成后，在arch/arm/boot目录下生成uImage文件，在/arch/arm/boot.dts/生成zynq_zturn.dtb文件。

1.3 制作randisk
在工作空间建立filesystem目录，进入filesystem目录，将uramdisk.image.gz拷贝至该目录。

<workdir>$ cd filesystem
filesystem$ mkdir -p rootfs

去掉mkimage生成的64bytes文件头，生成新的ramdisk.image.gz

filesystem$ dd if=uramdisk.image.gz of=ramdisk.image.gz bs=64 skip=1

gunzip解压ramdisk.image.gz生成ramdisk.image

filesystem$ gunzip ramdisk.image.gz

将ramdisk.image挂在在rootfs目录

filesystem$ sudo mount -o loop,rw ramdisk.image rootfs

进入rootfs目录，根据需要做修改。

经笔者实验发现，米尔科技的开发板Zturn board在直接使用光盘文件时，以太网不能正常运行，经调试发现其ramdisk文件系统中关于网络的配置文件不完整，在ramdisk文件目录中，打开/etc/network/interfaces文件，发现其中没有关于eth0的配置，因此添加网络配置如下：

auto eth0
iface eth0 inet dhcp

重新生成ramdisk, 同步文件系统并卸载ramdisk

filesystem$ sync
filesystem$ umount rootfs

用gzip压缩ramdisk.image，生成ramdisk.image.gz

filesystem$ gzip -9 ramdisk.image

用mkimage添加头文件，生成新的uramdisk.image.gz供u-boot使用。

filesystem$ mkimage -A arm -T ramdisk -C gzip -n Ramdisk -d ramdisk.image.gz uramdisk.image.gz

至此，我们已经得到了u-boot.elf, uImage, devicetree.dtb, uramdisk.image.gz文件。

二. 在Vivado中建立硬件系统

2.1 新建一个空白vivado工程，选择ZYNQ7010对应的芯片型号，点击左侧的Create Block Design，添加一个ZYNQ7的IP核。   

        点击Run Block Automation, 弹出的对话框直接点OK，双击ZYNQ IP核，配置参数。

2.2 Peripheral I/O Pins配置

Bank 1选择LVCMOS 1.8V

勾选Quad SPI Flash

勾选Ethernet 0 以及展开目录下的MDIO，点击右侧Enet0， 配置其使用PS的MIO16~27, MDIO选择PS的MIO52,53，注意这两个选项不手动选择对应的引脚则使用EMIO。

勾选USB0，使用PS的MIO28~39。

勾选SD0，使用PS的MIO40~45，展开SD0目录，使用选择Card Detect为MIO46， write Protect为MIO47.

勾选UART1， 使用PS的MIO48, 49.

勾选TTC0， 使用EMIO。

勾选GPIO MIO，不用选择展开的选项。

最后所有的配置如下图所示

2.3 MIO Configurateion:

展开Memory Interfaces->Quad SPI Flash->Single SS 4-bit IO, 设置所有的引脚速度为"fast", MIO1选择disable;

展开I/O Peripherals所有项目，设置所有的引脚速度mdc和mdio为slow，其他为fast，所有引脚上拉设置为disable：

展开USB0选项，设置所有引脚速度为fast，上拉选disable：

展开SD0选项，设置如下：

展开GPIO，设置如下：

2.4 Clock Configuration，配置时钟频率如下图所示：

2.5 DDR Configuration

根据原理图，选择memory part为MT41K256M16 RE-125

2.6  编译硬件系统

右键选择原理图文件(Source选项中), 选择generate output products...，接着Run Synthesis, 综合完成后点击Run Implementation，编译完成后点击Generate Bitstream，导出硬件设计File->Export->eexport hardware, 然后启动SDK设计软件：File->Launch SDK.

在本次项目中并没有添加FPGA部分的设计代码，所有在整个流程没有关于FPGA的引脚约束，仿真等操作，这一部分将在后续介绍。

三. 在SDK中验证硬件设计并制作SD卡启动文件

3.1 在SDK中新建应用程序，以Hello world为模板。

在Launch SDK之后，SDK软件一般会自动创建一个硬件平台(<project_hw_platform_0>)，如果是在多次导出硬件设计过程中生成了多个platform_x文件，建议删除所有platform文件，重新导出。

在生成的bsp工程上右键点击，Board Support Package Settings->Overview->standalone, 设置stdin和stdout为ps7_uart_1，因为在硬件设计中我们选择的是使用串口1作为终端串口输出，SDK在默认时时使用uart0, 因此如果在SDK中使用printf或xil_printf没有看到输出，则需要检查此处的设置。

3.2 连接仿真器，串口终端，电源，首先烧写FPGA程序(.bit文件), 然后运行helloworld工程，在终端上可以看到打印了一行hello world字符，说明基本硬件没有什么大问题。

3.3 创建FSBL

FSBL是first stage boot loader的简称，它是ZYNQ启动第一阶段加载的程序，固化在芯片内的BOOT ROM首先加载FSBL程序，FSBL加载u-boot, uboot加载Linux。因此要运行Linux系统必须要制作FSBL。

新建应用程序，选择以Zynq FSBL为模板工程。

不用修改fsbl工程，直接编译生成的这个工程。

右键选择fsbl工程，选择Create Boot Image, 在Boot image partitions中已经添加了fsbl.elf, design_1_wrapper.bit，点击Add选择前面准备好的u-boot.elf文件，将三个文件一起生成BOOT.bin文件。

3.3 启动Linux系统

SD卡需要时FAT32格式，如果不是请格式化，将以上所有生成的文件放在SD卡的根目录下，如下图所示：

其中7z010.bit文件是有desig_1_wrapper.bit改名而来，如果不改需要在fsbl工程中去修改加载的.bit文件的名称，所以建议所有的工程生成后都重命名为7z010.bit，将SD卡插入开发板，上电启动。

事实上在本次设计中我们并没有设计关于FPGA部分的源文件，为什么还是要7z010.bit文件呢？在u-boot启动过程中如果没有检测到FPGA的配置文件u-boot将不启动Linux内核，所有无论有没有FPGA的设计都需要一个FPGA的配置文件，即使是空的配置。