从零开始顺从Linux（一）：ZYNQ-Linux启动文件构建全剖析 ...

从零开始顺从Linux（一）：ZYNQ-Linux启动文件构建全剖析
ZYNQ系列芯片集成了ARM处理器和FPGA（可编程逻辑单元），正是因为由于ARM处理器的存在，所以我们可以在ZYNQ系列芯片上面运行Linux系统。
在ZYNQ系列芯片上运行Linux会给我们带来很多优势:首先，我们可以将部分逻辑处理（比如信号处理、数据流控制等）放到FPGA中，剩下的操纵交给ARM处理器执行。这样，硬件和软件可以无缝协同，优化整体系统服从；其次，运行Linux意味着可以使用Linux的丰富生态和开源资源。你可以利用大量的开源软件、驱动、工具和库，减少开发本钱并加快开发周期。最后，ZYNQ的开发情况（如Xilinx的Petalinux）对Linux的支持非常好，同时也可以利用如GDB、JTAG等调试工具进行开发，便于定位题目并优化代码。
本教程我们就一起来看一下，如何基于正点原子提供的出厂干系源代码，制作ZYNQ开发板的启动文件，并成功运行Linux系统。
1.1制作前准备工作
1）一款ZYNQ开发板：本次以领航者ZYNQ-7020开发板来演示；
2）一台运行Ubuntu系统的计算机（或者虚拟机）；
资料盘A盘：https://pan.baidu.com/s/1vXxmhg_mZm_OVg4xQeiCVQ 提取码：zdyz
资料盘B盘：https://pan.baidu.com/s/1NNYDCpEkM2jd6jR69Y1mfg 提取码：zdyz
1.2安装ZYNQ-7000交叉编译工具链
编译uboot和内核源码须要在linux系统（虚拟机）中安装相应的交叉编译工具链。安装ZYNQ-7000系列芯片的交叉编译工具链须要sdk.sh文件。
把开发板资料盘B盘:\sdk\202002\sdk.sh拷贝到Ubuntu虚拟机。拷贝完成后，在虚拟机中切换到sdk.sh文件所在目录，为sdk.sh文件赋予可执行权限并安装，命令如下：

1. #如果之前没有安装过build-essential、git、u-boot-tools，请先执行如下命令进行安装
3. sudo apt update
5. sudo apt -y install build-essential git u-boot-tools
7. #安装SDK
9. chmod +x sdk.sh
11. ./sdk.sh

复制代码

默认是安装在/opt/petalinux/2020.2 目录下，如果想安装在其他目录下，可以输入相应的路径，此处笔者保持默认，按回车键继承，结果如下图所示：

图 1.1.1 安装SDK
再次确认是否将SDK安装在/opt/petalinux/2020.2 目录下，默认为“Y”，也就是“是”，按回车键继承往下执行，体现要输入用户密码，输入完成后回车进行安装，等待安装完成。安装完成后提示每次当你在一个新终端中使用SDK，须要先执行“. /opt/petalinux/2020.2/environment-setup-cortexa9t2hf-neon-xilinx-linux-gnueabi”以设置相应的情况变量，其中的“.”和source具有雷同含义。
1.3拷贝源码到Ubuntu系统
拷贝u-boot源码
开发板出厂镜像使用的u-boot源码路径为：开发板资料盘(A 盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\资源文件\出厂镜像干系，在该目录下有一个名为atk-zup-uboot-xlnx.tar.gz的压缩包文件，如下所示：

图 1.2.1 u-boot源码
atk-zynq-uboot-xlnx.tar.gz是专门用于开发板出厂测试的u-boot源码压缩包文件。我们将atk-zynq-uboot-xlnx.tar.gz压缩包文件拷贝到Ubuntu系统中，如下所示：

图 1.2.2 将u-boot压缩包文件拷贝到Ubuntu
接下来将其解压，对应的解压目录就是U-Boot源码目录，这个解压目录各人可以自己设置。因为解压后会自动在解压目录中创建一个名为atk-zynq-uboot-xlnx的文件夹，该文件夹下即是uboot源码。为了制止和教程中使用的uboot相肴杂，笔者这里选择将其解压到用户家目录下的~/workspace/src目录中。
执行如下命令将其解压到~/workspace/src/目录中：

1. mkdir -p ~/workspace/src/                            #创建~/workspace/src/文件夹
3. cd /mnt/hgfs/share/source_code/      #切换到uboot压缩包文件所在目录
5. tar -xzf atk-zynq-uboot-xlnx.tar.gz -C ~/workspace/src/        #解压
7. ls ~/workspace/src/
9. ls ~/workspace/src/atk-zynq-uboot-xlnx/

复制代码

图 1.2.3 解压U-Boot源码包
解压完成后，atk-zynq-uboot-xlnx文件夹存放的即是出厂镜像使用的uboot源码。
拷贝内核源码
开发板出厂镜像使用的Linux内核源码路径为：开发板资料盘(A 盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\资源文件\出厂镜像干系，在该目录下有一个名为atk-zynq-linux-xlnx.tar.gz的压缩包文件，如下所示：

图 1.2.4 内核源码压缩包文件
atk-zynq-linux-xlnx.tar.gz是专门用于开发板出厂镜像的Linux内核源码压缩包文件。我们将atk-zynq-linux-xlnx.tar.gz压缩包文件拷贝到Ubuntu系统中，如下所示：

图 1.2.5 将内核源码压缩包文件拷贝到Ubuntu
接下来将其解压，对应的解压目录就是Linux内核源码目录，这个解压目录各人可以自己设置。因为解压后会自动在解压目录中创建一个名为linux-xlnx的文件夹，该文件夹下即是Linux内核源码。为了制止和教程中使用的Linux内核源码相肴杂，笔者这里选择将其解压到用户家目录下的~/workspace/src目录中：
执行如下命令将其解压到~/workspace/src目录中：

1. mkdir -p ~/workspace/src/
3. cd /mnt/hgfs/share/source_code/      #切换到uboot压缩包文件所在目录
5. tar -xzf atk-zynq-linux-xlnx.tar.gz  -C ~/workspace/src/        #解压
7. sync

复制代码

图 1.2.6 解压内核源码
解压完成后，得到的atk-zynq-linux-xlnx文件夹即是出厂镜像使用的Linux内核源码根目录。使用ls命令（ls ~/workspace/src/atk-zynq-linux-xlnx），可看到Linux内核源码目录结构，如下图所示：

图 1.2.7 Linux内核源码目录结构
拷贝xsa文件
使用xsa文件以创建相应的Petalinux工程，
在开发板资料包中，已经给各人提供了开发板出厂时所对应的vivado工程。
对于领航者7010开发板，使用的是Navigator_7010工程。
笔者以领航者7020开发板为例，路径为：开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\vivado_prj，在这个目录下有一个压缩包文件Navigator_7020.zip，将其在Windows系统下解压，解压后如下图所示：

图 1.2.8 vivado工程目录
system_wrapper.xsa为Vivado导出的xsa文件，这里直接将system_wrapper.xsa文件夹拷贝到Ubuntu系统某个目录下，例如/mnt/hgfs/share/xsa/7020/，如下图所示：

图 1.2.9 将xsa文件拷贝到Ubuntu
1.4编译
在上一节中我们已经将编译所须要的所有“原质料”拷贝到Ubuntu系统了，接下来可以进行编译了，须要注意在是，在编译之前，须要安装Xilinx的petalinux工具，以及设置交叉编译工具链的工作情况。如果还没安装petalinux的，可以参考《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南》的第5章内容Petalinux的安装进行安装；设置交叉编译工具链的工作情况请参考下一小节。
1.5设置交叉编译工具链的工作情况
每打开一个新终端，都须要在终端中执行如下命令设置SDK的情况变量以使用交叉编译器：

1. . /opt/petalinux/2020.2/environment-setup-cortexa9t2hf-neon-xilinx-linux-gnueabi

复制代码

如果不想每打开一个新终端就执行这个命令，可以将其放入~/.profile或者/etc/profile文件中，命令如下：
echo '. /opt/petalinux/2020.2/environment-setup-cortexa9t2hf-neon-xilinx-linux-gnueabi ' | tee -a ~/.profile      #注意看下图，这条命令是完备的一行

1. tail -5 ~/.profile

复制代码

结果如下图所示：

图 1.4.1 加载~/.profile文件时设置SDK情况变量
这样，将命令“. /opt/petalinux/2020.2/environment-setup-cortexa9t2hf-neon-xilinx-linux-gnueabi”写入到~/.profile文件中，启动虚拟机登录当前用户后会自动执行该命令。不过当前终端不可用，须要重启才能见效。
注：如果读者之前用雷同的方式设置过Petalinux 2020.2版本的SDK，请先从~/.profile等文件中删除干系的行，或者直接使用之前的SDK，如果可用的话。
设置SDK的情况变量后，在终端输入命令arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc --version来检察当前使用的交叉编译器版本号。看到如下结果，表明情况变量已经见效。

图 1.4.2检察 gcc 版本信息
可以看到，我们使用的zynq交叉编译器版本为9.2.0。
设置情况变量后可以使用env命令查瞥见效的情况变量，下图为部分截图：

图 1.4.3检察设置后的情况变量
不同的情况变量有不同的作用。比如情况变量CC，可以看出该情况变量已经配置好gcc交叉编译器编译时所用的参数，比如使用arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc编译器，可直接使用情况变量$CC，如交叉编译某个.c文件，如hello.c，直接使用$CC hello.c就可以了。
创建Petalinux工程
创建Petalinux工程的步骤在《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南》第六章Petalinux设计流程实战中已讲解，本章就不细述，也可直接使用第六章Petalinux设计流程实战的Petalinux工程，重新导入xsa文件即可。
先在Ubuntu主机终端中选一个符合的路径以创建出厂镜像使用的Petalinux工程，然后在终端中输入如下命令：

1. cd <相应的目录>  #切换到创建Petalinux工程的目录
3. sptl                            #设置petalinux工作环境
5. petalinux-create -t project --template zynq -n base  #创建Petalinux工程
7. cd base                                        #进入到petalinux工程目录下
9. petalinux-config --get-hw-description /mnt/hgfs/share/xsa/7020                #导入相应的xsa文件

复制代码

以上命令执行完成之后会自动在当前目录下创建一个名为base的文件夹，也就是我们出厂镜像的petalinux工程对应的工程目录。
xsa文件导入成功之后会自动弹出petalinux工程配置窗口，如下图所示：

图 1.4.4 petalinux工程配置窗口
使用默认配置即可，保存并退出。
编译出厂源码u-boot、制作BOOT.BIN
进入到u-boot源码根目录下。
领航者开发板对应的配置文件为：configs/xilinx_zynq_virt_defconfig
领航者开发板对应的设备树文件为：arch/arm/dts/zynq-atk.dts
执行如下命令编译u-boot源码：

1. make distclean                                                # 清理工程
3. make xilinx_zynq_virt_defconfig    #配置uboot
5. make -j                                                              # 编译

复制代码

图 1.4.5 编译u-boot源码
编译成功之后，会在u-boot目录下生成镜像文件，如下所示：

图 1.4.6 生成镜像文件
u-boot.elf是一个elf格式的uboot可执行文件，u-boot.dtb是uboot的设备树文件。
输入如下命令生成boot.scr启动脚本文件：

1. ./tools/mkimage -c none -A arm -T script -d atk-zynq-boot.cmd.default boot.scr

复制代码

图 1.4.7 生成boot.scr
boot.scr是出厂镜像中uboot用于从相应的存储设备加载内核镜像和设备树的脚本文件。
切换到创建的Petalinux工程目录，执行下面的命令制作领航者开发板所需的启动文件BOOT.BIN：

1. petalinux-build -c bootloader              #生成fsbl.elf文件
3. petalinux-package --boot --fsbl --fpga \
5. --u-boot ~/workspace/src/atk-zynq-uboot-xlnx/u-boot.elf  \
7. --dtb ~/workspace/src/atk-zynq-uboot-xlnx/u-boot.dtb --force

复制代码

图 1.4.8 制作BOOT.BIN文件
注：如果编译报设备树干系的错误，请按照第六章Petalinux设计流程实战那样配置设备树，我们不消Petalinux编译的设备树，只是办理错误。
命令执行成功之后，会在当前Petalinux工程的images/linux目录下生成BOOT.BIN启动文件，如下图所示：

图 1.4.9 生成BOOT.BIN文件
编译内核、设备树
进入到Linux内核源码根目录下。
内核defconfig配置文件为：arch/arm/configs/xilinx_zynq_defconfig
领航者7020开发板对应的设备树文件为：arch/arm/boot/dts/atk-navigator-7020.dts
领航者7010开发板对应的设备树文件为：arch/arm/boot/dts/atk-navigator-7010.dts
执行如下命令编译内核源码：

1. make distclean                                    # 清理工程
3. make xilinx_zynq_defconfig                # 配置
5. make -j8                                                        # 编译zImage和设备树

复制代码

图 1.4.10 编译内核源码
编译得到的内核镜像文件zImage在arch/arm/boot目录下，如下图所示：

图 1.4.11 生成的内核镜像文件
编译得到的设备树文件在arch/arm/boot/dts目录下，如下图所示：

图 1.4.12设成的设备树文件
atk-navigator-7020.dtb对应领航者7020开发板的设备树文件；
atk-navigator-7010.dtb对应领航者7010开发板的设备树文件。
至此，启动开发板所需所有镜像文件都已经编译完成了，包罗BOOT.BIN文件、boot.scr、zImage、设备树dtb四个文件。
1.6Linux启动！
制作一张SD启动卡，SD启动卡的制作方法，可以参考《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南》第六章Petalinux设计流程实战中的制作SD启动卡小节。这里不再赘述！
将上一节编译得到的四个镜像文件拷贝到SD启动卡的第一个分区，也就是Fat32分区，其中
BOOT.BIN文件位于Petalinux工程的images/linux目录下；
boot.scr位于uboot源码根目录下；
zImage文件位于linux内核源码根目录下的arch/arm/boot/目录下；
dtb文件位于linux内核源码根目录下的arch/arm/boot/dts/目录下。
拷贝完成后如下所示：

图 1.5.1 SD启动卡Fat分区文件
注：一般只须要拷贝开发板对应的设备树dtb文件就可以了，拷贝多个设备树文件也是可以的，启动过程中只用到开发板对应的设备树dtb文件。
接下来我们要拷贝根文件系统到SD启动卡第二个分区，在开发板资料包中已经给各人提供了出厂时使用的根文件系统，在开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\资源文件\出厂镜像干系目录下有一个名为rootfs.tar.gz的压缩包文件，如下所示：

图 1.5.2根文件系统
rootfs.tar.gz中包含的根文件系统是出厂镜像使用的根文件系统，由于测试须要，笔者也移植了一些软件到其中。该根文件系统比力大、内容比力多，包罗Qt5、Python、opencv等常用库文件。
将rootfs.tar.gz拷贝到Ubuntu系统中，然后使用tar命令将rootfs.tar.gz压缩包文件解压到SD启动卡的第二个分区，如下所示：

1. sudo tar -xzf rootfs.tar.gz -C /media/$USER/rootfs
3. ls /media/$USER/rootfs
5. sync

复制代码

图 1.5.3 解压根文件系统到SD卡第二分区
sync同步完成之后，卸载SD卡（umount命令），拔掉SD卡将其插入开发板SD卡卡槽，将开发板启动方式设置为SD卡启动，连接串口、LCD屏和电源启动开发板，领航者开发板连接SD（TF）卡的正面图如下图所示：

图 1.5.4 开发板插入TF卡和串口
打开MobaXterm串口上位机或别的串口上位机。上位机打印Linux启动信息如下：

图 1.5.5 打印Linux启动信息
1.7扩展：如何使出厂镜像从QSPI启动？
出厂镜像将启动文件放在QSPI中，根文件系统存到eMMC中。从QSPI启动，首先须要像出厂镜像那样将zImage文件、dtb文件和bit文件打包成image.ub文件，打包方法如下：
首先进入到Linux内核源码根目录下。
对于7020焦点板，输入如下命令即可：

1. mkimage -f zynq-fit-image.its image.ub

复制代码

对于7010焦点板，输入如下命令即可：

1. sed -i 's/7020/7010/g' zynq-fit-image.its
3. mkimage -f zynq-fit-image.its image.ub

复制代码

生成的image.ub文件在内核源码根目录下，输入命令ls -l image.ub即可看到。
打包完成后，将image.ub文件和之前编译得到的BOOT.BIN、boot.scr文件拷贝到SD启动卡的第一个分区，也就是Fat32分区，其中
BOOT.BIN文件位于Petalinux工程的images/linux目录下；
boot.scr位于uboot源码根目录下；
image.ub文件位于Linux源码根目录下。
根文件依旧如前解压到到SD启动卡第二个分区。
从SD卡启动后，在串口终端中输入如下命令将启动镜像固化到QSPI和拷贝根文件系统到eMMC：

1. /opt/image/burn_qspi.sh

复制代码

图 1.6.1 执行固化脚本
系统固化完成之后，蜂鸣器会响，表明已经将系统镜像和根文件系统分别烧写到了QSPI和eMMC存储介质中了，也意味着开发板可以从QSPI方式启动系统了。
在资料盘中我们提供了一个.img格式文件的出厂镜像，这里重要是为了方便各人直接烧录出厂程序到TF卡中启动开发板，烧录镜像的步骤可以参考《领航者ZYNQ开发板用户快速体验》文档。相比于我们刚刚制作的这些启动文件，一个独立的img镜像文件显然更方便我们烧录到TF卡来启动Linux系统，我们也收到过很多的私信想学习如何将这些启动文件转化成img镜像文件，后续我们也会给各人分享详细步骤，敬请期待！

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