本文是昨天发的文章《龙芯杯CPU设计竞赛与ZYNQ设计流程介绍》接续部分。重点介绍传统方式的Linux移植和Xilinx的Petalinux的快速移植开发两种。

部分硬件设计中需要CPU完成对电路寄存器的配置，为了完成Zedboard对FPGA上部分寄存器的配置功能，可以在PS单元(处理器系统)上运行裸机程序(无操作系统支持)完成和PL单元(FPGA部分)的数据交互功能，此时PS单元更像单片机开发；另一种方法是PS单元运行Linux操作系统，通过驱动程序和应用程序完成对硬件寄存器的读写操作，并且Linux有着完整的网络协议栈支持，后续可拓展性更强，可以更好的发挥ZYNQ这种异构架构芯片的性能。主要分为两部分，分别阐述Zedboard中FPGA和处理器互联总线与硬件设计和Zedboard处理器系统上嵌入式Linux的移植与通过驱动和应用程序简单配置FPGA寄存器的实现。上次介绍了没有操作系统下的驱动和应用程序开发，本文介绍带操作系统的驱动和应用程序开发。

1、传统方式移植Linux

Zedboard上电后会首先启动BootRom，bootrom中固化了最初启动需要的初始代码，并根据板卡上的跳线决定从flash或者sd卡或者jtag启动。这里选择从SD卡启动，bootrom中的代码会将SD卡中的启动文件拷贝到RAM或者片上共享缓存中去，为下一步启动做准备。

下一阶段的启动文件负责初始化FPGA的比特流文件和初始化ARM处理器的FSBL文件(VIVADO生成)，在PL和PS单元完成最基本的初始化操作后，就需要启动BootLoader来引导后面发linux内核，XIlixn的解决方案中可以将二进制比特流文件和fsbl以及uboot打包成BOOT.bin文件，BOOT.bin中的uboot可以加载内核到内存，并从0x00080000位置启动内核。另外，内核启动还需要设备树和根文件系统。

(1)交叉编译链和开发环境搭建

为了得到能够在嵌入式平台上运行的代码，需要在linux主机上交叉编译需要运行的代码，交叉编译工具链就是提供交叉编译的一套工具集。开发主机选择Ubuntu1604LTS系统，安装VIVADO17.4版本，安装完成后 VIVADO SDK

用时已经自动安装了交叉编译链arm-linux-gnueabihf- ，使用命令

source/opt/Xilinx/SDK/2017.4/setting64.sh

添加引用1后即可使用交叉编译链。Xilinx在较早的VIVADO SDK版本中提供了arm-xilinx-linux-gnueabi-编译链，区别在于arm-linux-gnueabihf-使用硬件加速浮点数运算，而arm-xilinx-linux-gnueabi-使用软件计算。通过查询资料，发现17.4版本的SDK中包含arm-xilinx-linux-gnueabi-编译链的引用，但是软件安装时没有成功安装，这应该是17.4版本的一个BUG，我们在另一台安装15.4版本VIVADO SDK的Ubuntu主机下，找到/opt/Xilinx/SDK/2015/gnu/arm文件夹，将其拷贝到17.4版本对应的目录，发现可以成功引用，输入(交叉编译链)gcc-v查看：

gcc版本为4.9.2。需要注意的是，使用两条编译链中的任意一条都可以用于交叉编译，但是两者之前不兼容，因此使用其中一条交叉编译链即可。17.4自带的gcc编译器版本更高，是6.2.1版本。

为了支持32 位工具，需要预先安装 32 位支持工具包。使用sudo命令获取root权限，apt-get install lib32z1 lib32ncurses5lib32bz2-1.0 lib32stdc++6安装上述工具包。(PS，可以修改Ubuntu镜像源为西电开源社区镜像，实测速度在5MB左右)。安装上述包后还需要安装Openssl库来实现网络保密性，在编译u-boot时会用到，使用命令apt-get install libssl-dev安装。

为了提高工作效率，嵌入式开发通常可以在Windows下使用SourceInsight等内核源码阅读工具来开发驱动和应用程序，而交叉编译环境则往往在linux主机上，因此我们可以使用ssh登陆linux服务器，完成命令控制和编译文件，使用ftp文件传输服务在Windows和linux主机之间传递文件，编译完成的驱动可以以NFS挂载的方式直接在嵌入式开发板运行。搭建工作环境不是本文的重点，因此不再这里详细说明。

(2)U-boot编译

Xilinx官方提供了u-boot的源码，位于https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx/releases，我们按照自己需要的版本进行下载和使用。

将下载好的u-boot-xlnx-xilinx-v2017.1.zip文件上传到Ubuntu服务器，使用命令unzip解压缩后进入u-boot-xlnx-xilinx-v2017.1目录，在 u-boot 的文件夹下有很多子文件夹构成，其中每个文件夹都实现一个对应的功能。

1) api：相关的api函数，如输出字符函数。

2) arch: 与特定的 CPU 构架相关。在该目录下，有u-boot 所支持的各种架构的cpu，并且有一个单独的子目录对应。典型的，arch 文件夹下名字为 arm 的子目录就是 Zynq-7000 SOC所对应使用的 CPU 构架目录。

3)board: 和一些已有开发板有关的文件。每一个开发板都有一个子目录出现在当前目录下

4)common: 实现u-boot 命令行下所支持的命令。在该目录下，每条命令对应一个独立的文件夹。

5)disk: 提供对磁盘的支持。

6)doc：文档说明

7)drivers: 在该目录下保存着 u-boot 所支持的设备驱劢程序。典型的如各种网卡、支持的CFI 癿 Flash 存储器、串口和 USB 等。

8)fs:支持的文件系统

9)include:该目录下保存着 u-boot 所使用的头文件，对各种硬件平台支持的汇编文件、系统的配置文件以及对文件系统支持的文件。该目录下configs 目录有开发板相关的配置头文件，如 zynq_common.h 是与 zynq 开发板相关的配置文件。

10)lib: 该目录下保存着体系结构相关的库文件。

11)net: 该目录下保存着网络协议相关的代码。比如BOOTP 协议、 TFTP 协议、RARP 协议和 NFS 文件系统的实现

12)tools: 该目录下保存着用于生成 u-boot 癿工具，包括 mkimage、 crc、 Makefile 和boards.cfg配置文件。

下面开始进行u-boot的编译，编译u-boot需要扁平化设备树的支持，首先输入命令apt-get installdevice-tree-compiler安装设备树编译工具。安装完成dtc工具后就可以进行u-boot的编译了。

在configs文件下保存有各个开发板的默认配置，我们搜索zynq有关的配置文件，发现zynq_zed_defconfig文件，这个就是Zedboard默认的配置选项。而ax70**系列的则是黑金开发板的默认配置文件。

在编译u-boot之前，需要先将配置选项写入.config配置文件中，输入命令make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zynq_zed_defconfig进行配置。注意，你需要先source /opt/Xilinx/SDK/2017/setting64.sh添加相关引用才能使用，当然也可以把上述命令写入/etc/profile这样就可以开机使用。

当出现written to .configs时，表明配置选项写入成功，接下来我们就可以进行编译u-boot了。

使用命令make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-编译u-boot，经过一段时间的编译后，在u-boot根目录下会出现u-boot文件，我们将其下载到Windows下并重命名为u-boot.elf，等待下一步使用。

(3)生成BOOT.bin启动文件

BOOT.bin需要VIVADO SDK生成fsbl，然后将u-boot和VIVADO生成的比特流打包。

启动VIVADO SDK，选择File ->New -> Application Project创建一个新的SDK工程，工程命名为fsbl，其余保持默认不变。

点击next，选择ZYNQ FSBL模板，点击Finish完成工程的创建，SDK会自动创建一个名为fsbl的工程和fsbl_bsp板级支持包。选中fsbl工程，右键选项选择Create Boot Image，在弹出的选项卡中可以发现SDK已经问我们添加了刚才生成的fsbl和有VIVADO导入SDK中的比特流文件，我们只需要再添加编译好的u-boot即可。

点击右侧的Add可以添加新的文件，Delete可以删除选中的文件，Edit可以编辑文件的类型。我们选择Add添加u-boot.elf文件。

在新的选项卡中填入uboot.elf的路径，这里一定要注意类型为Datafile类型，否则无法正常启动。

点击OK确认后退回到上次层选项卡，选择Create Image选项，在SDK目录下就会生成对应的BOOT.bin文件。

将BOOT.bin拷贝到Zedboard的SD卡，连接串口，开机观察串口提示，发现u-boot已经可以正常启动了，并且此时FPGA也已经按照VIVADO的网表文件初始化完成，但是u-boot提示无法读取内核镜像，我们将在下一步中生成。

(4)内核编译

Xilinx官方提供了linux的源码，供开发者下载和使用，我们打开Xilinx官网链接：https://github.com/Xilinx/linux-xlnx/releases；选择17.4版本下载并解压。Linux解压命令为 ：

tar zxvf linux-xlnx-xilinx-v2017.4.tar.gz

解压后进入该目录，这里对关键目录进行说明：

1)include/---- 内核头文件，需要提供给外部模块使用

2) kernel/---- Linux 内核癿核心代码，包扩进程调度子系统，以及进程调度相关的模块。

3)arch/---- 体系结构相关的代码，例如 arm, x86 等等，我们使用的ARM A9处理器就在arch/arm/目录下。

arch/mach包含了具体开发板有关的代码

arch/boot/dts 包含了设备树文件

arch/arm/configs目录下包含了arm架构处理器和开发板的一些内核默认配置文件，Zedboard的默认配置文件也在此目录下。

4)driver目录则存放了可用的驱动程序，你可以将自己的驱动放入此目录，在后面选择编译进内核。

5)scripts目录下包含了设备树编译器dtc和解释内核配置选项相关的文件和目录。

其余目录则不是本文介绍的重点，当开发平台启动BootLoader后，需要读取内核镜像，并依赖设备树文件传入的一些启动参数才能启动。当然还需要文件系统的支持。Linux内核有Imange、zImage和uImage等格式，Image就是正常编译出的linux内核，但是鉴于嵌入式资源有限，我们可以将内核和一段自解压程序进行压缩，这样启动时BootLoader先调用zImage的解压接口进行解压缩，而后在调用内核接口启动内核，相比于Image，zImage启动更慢一些。uImage就是在头部加入了一些u-boot相关代码的压缩Linux内核镜像，便于u-boot启动内核镜像。因此，我们最终要生成的就是uImage内核镜像。

上面说过在arch/arm中存放了我们需要的arm A9处理器的代码和文件，进入arch/arm/configs，搜索zynq相关的配置，发现xilinxz_zynq_defconfig配置文件，这就是Zedboard可用的默认配置文件。和u-boot类似，我们也需要先写入默认配置到.config文件才能编译内核。

使用命令make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xilixn_zynq_defconfig进行内核配置文件的写入。写入完成后提示written to .config。可用使用make menuconfig配置内核选项：

这里保持默认，无需修改，如果需要将自己的驱动编译进内核，可以在这里选中，但是这样不利于调试驱动。

使用命令make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- 编译内核，内核编译需要较长的时间。如果配置过程中需要重新修改或者发生错误，可以使用make distclean命令使内核恢复最初的状态，然后重新编译。

我们使用make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- uImageLOADADDR=0x00008000重新生成内核，指定内核镜像为uImage，内核入口地址为0x00008000。由于内核已经编译过一次，这次可以很快生成。

生成的内核位于arch/arm/boot目录下。拷贝uImage到Zedboard的SD卡准备启动时使用。

(5)生成设备树文件

设备树是一种设备节点的描述，它告诉内核板卡上有哪些外设以及外设占用的资源，比如寄存器映射空间和中断号等信息。另外设备树还可以修改内核启动参数，如串口选择、波特率设置和根文件系统的选择。

通过VIVADO SDK可以生成设备树描述文件，这样便于我们开发，而不需要完全手动创建。VIVIADO安装时并没有安装设备树生成器，所以需要我们手动安装。我们首先下载xilinx提供的device tree generator,并安装到SDK。访问https://github.com/Xilinx/device-tree-xlnx/releases获取对应版本的设备树生成器。下载并放到VIVADO安装目录下的SDK2017.4dataembeddedswdevicetreebsp目录下，重命名为device-tree-xlnx_v2017_4(我的VIVADO版本为17.4)。打开SDK，在SDK中操作点击菜单: Xilinx Tools -> Repositories，然后在LocalRepositories中添加我们刚才下载的SDK2017.4dataembeddedswdevicetreebspdevice-tree-xlnx_v2017_4路径并点击OK。

添加成功后如上图。点击菜单File -> New -> Board Support Package。弹出选项卡New Board Support Packet Project，选择device_tree，如果你上一步配置不成功，则不会出现device_tree选项，此时需要检查上一个步骤的问题。添加成功后点击Finish选项，VIVADO SDK会自动生成设备树描述文件dts。

稍后，VIVADO弹出BoardSupport Packet Setting选项卡，在bootargs中填入console=ttyPS0,115200 root=/dev/ram rw initrd=0x800000,8Mearlyprintk rootfstype=ext4 rootwait devtmpfs.mount=0。“bootargs”参数用于指定启动时传递给内核的参数。“console device”参数用于指定所使用的串口输出设备。

在SDK目录下的device_tree目录下可以看到很多dts文件，system-top.dts就是我们需要编译的设备树描述文件。它引用了zynq-7000.dtsi等对于zynq芯片通用的部分文件。将SDK目录下的整个device_tree目录上传到Ubuntu服务器，使用dtc编译器编译。编译命令如下：

./scripts/dtc/dtc-I dts -O dtb -o device.dtb ./device_tree/system-top.dts

6)文件系统

根文件系统使用uramdisk.image.gz根文件系统，ramdisk.image.gz根文件系统其格式与uboot不同，启动时uboot会提示ramdisk格式错误,若要让uboot能够识别ramdisk.image.gz根文件系统，需要利用mkimage给ramdisk.image.gz添加一些头部信息，生成uramdisk.image.gz。可以直接使用网络上的uramdisk.image.gz来作为根文件系统，一般来讲，根文件系统不需要做出修改。

另一种广泛应用的根文件系统是LINARO_FS，Linaro文件系统也可从网络上获取，因为我们的设备树中指定了从uramdisk.image.gz文件系统启动，因此这里不再介绍从Linaro文件系统启动。

现在，我们已经得到BOOT.bin文件，设备树device_tree.dtb文件和根文件系统uramdisk.image.gz根文件系统。将这三个文件放入Zedboard的SD卡，上电启动就可以使用Linux操作系统了。

7)驱动程序和应用程序测试

Linux驱动程序有静态编译进内核和动态模块加载两种，这里选择动态模块加载的方式，便于进行调试。在前面的硬件设计中，我们将AXI-Lite Slave的四个寄存器挂载到基地址为0x43c00000的位置，而Zedboard板卡上的8位LED灯连接到了寄存器0的低8位，因此我们写寄存器0的低八位就能很容易的通过LED的状态来判断写入是否成功。

驱动程序的入口和出口分别是init和exit，需要使用宏进行修饰如下：

// 注册初始化Linux驱动的函数module_init( leds_drv_init);// 注册卸载Linux驱动的函数module_exit( leds_drv_exit);

linux操作系统中无法直接读写物理地址，因此入口函数中，我们需要映射物理地址，使用ioremup函数映射物理地址。注意这里物理地址和硬件设计中保持一致。

leds= ioremap(0x43c00000, sizeof(LEDS_T))

Led灯只是一个简单的字符设备，但是这里我们使用该设备来注册设备驱动。

ret= misc_register(&misc);

杂项设备也是在嵌入式系统中用得比较多的一种设备驱动。在 Linux 内核的include/linux目录下有Miscdevice.h文件，要把自己定义的misc device从设备定义在这里。其实是因为这些字符设备不符合预先确定的字符设备范畴，所有这些设备采用主编号10，一起归于misc device，其实misc_register就是用主标号10调用register_chrdev()的。也就是说，misc设备其实也就是特殊的字符设备，可自动生成设备节点。LDD3中led设备也是用misc_register函数注册为杂设备，这说明led设备是作为杂项设备出现在内核中的，在内核中，misc杂项设备驱动接口是对一些字符设备的简单封装，他们共享一个主设备号，有不同的次设备号，共享一个open调用，其他的操作函数在打开后运用linux驱动程序的方法重载进行装载。

驱动代码：

#define DEVICE_NAME "leds" #define LEDS_BASE_ADDR (0x43c00000)typedef struct{ volatile unsigned int ADDR0; volatile unsigned int ADDR1; volatile unsigned int ADDR2; volatile unsigned int ADDR3;}LEDS_ADDR; LEDS_ADDR* leds;  static int leds_drv_open(struct inode *Inode, struct file *File){ leds->ADDR0 = 0xffffffff; leds->ADDR1 = 0xffffffff; leds->ADDR2 = 0xffffffff; leds->ADDR3 = 0xffffffff; return 0;}static ssize_t leds_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){ return 0;} static ssize_t leds_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){ unsigned int ret = 0; unsigned int tmp_val; u32 pos = *offset; ret = copy_from_user(&tmp_val, buf, count);  leds->ADDR0 = tmp_val; //默认写入寄存器0 return ret;} // 描述与设备文件触发的事件对应的回调函数指针static struct file_operations dev_fops ={  .owner = THIS_MODULE,  .open = leds_drv_open, .read = leds_drv_read,  .write = leds_drv_write,}; // 描述设备文件的信息 static struct miscdevice misc ={  .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  .name = DEVICE_NAME,  .fops = &dev_fops }; // 初始化Linux驱动static int __init leds_drv_init(void){ int ret;  leds = ioremap(LEDS_BASE_ADDR, sizeof(LEDS_T));  // 建立设备文件 ret = misc_register(&misc); // 输出日志信息 if(ret) { printk("leds_drv_init faiitrt!"); } else { printk("leds_drv_init success!"); }  return ret;}// 卸载Linux驱动static void __exit leds_drv_exit(void){ iounmap(leds);  // 删除设备文件  misc_deregister(&misc);  // 输出日志信息 printk("leds_drv_exit success!");} // 注册初始化Linux驱动的函数module_init( leds_drv_init);// 注册卸载Linux驱动的函数module_exit( leds_drv_exit);MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

应用程序调用驱动程序接口，从控制台读取一个数字，写入到寄存器0，寄存器0的低八位就可以在led灯上显示出来。

应用程序源码：

#include #include #include #include #include #include int main(int argc, char** argv){ int fd; fd = open("/dev/leds