正点原子嵌入式Linux学习笔记1（Petalinux设计和U-Boot篇）

Petalinux简介

1. Petalinux是Xilinx针对嵌入式Linux开发所推出的开发套件、开发工具
2. Petalinux包括U-Boot源码、Linux内核源码以及根文件系统
3. 嵌入式Linux系统三巨头：U-Boot、Linux内核以及rootfs

Petalinux设计流程

1. 搭建Vivado工程，导出hdf文件
2. 创建一个petalinux工程
3. 将hdf文件导入到petalinux工程（将vivado设计应用到petalinux工程）
4. 配置petalinux工程（包括配置U-Boot、配置内核以及配置根文件系统）
5. 编译petalinux工程（U-Boot镜像、内核镜像以及rootfs，bitstream，fsbl镜像文件）
6. 启动开发板

Petalinux设计实战

导出hdf文件

1. 编译好整个vivado工程，生成Bitstream之后，在菜单栏中选择File > Export > Export hardware 导出硬件，勾选Include bitstream，然后就得到了hdf硬件描述文件
2. 不妨新建一个目录专门存放hdf文件mkdir zynq_petalinx.sdk
3. 通过Mobaxterm将hdf文件传到该目录下

创建petalinux工程

1. 终端输入sptl 进入petalinux工作环境
2. mkdir 新建一个工作目录并进入该目录
3. 创建名为zynq_linux的petalinux工程petalinux-create -t project --template zynq -n zynq_linux

hdf导入到petalinux工程

1. 进入工作目录 cd zynq_linux
2. 导入hdf petalinux-config --get-hw-description **/zynq_petalinx.sdk/后面的路径为hdf所在目录地址

配置petalinux工程

上一步完成后会自动弹出配置窗口
当然也可以通过这个命令重新配置

petalinux-config

一般默认配置，这一部分略

配置Linux内核

终端输入如下命令

petalinux-config -c kernel

无特殊需求，无需更改

配置Linux根文件系统

终端输入以下命令可配置根文件系统

petalinux-config -c rootfs

无特殊需求，无需更改
备注：root用户密码，默认为“root”

配置设备树文件

如果需要配置设备树，则可以编辑当前工程目录下的project-spec/meta-user/recipes-bsp/devicetree/files/system-user.dtsi文件
无特殊需求，无需更改

编译petalinux工程

编译整个petalinux工程命令

petalinux-build

optional: 可选单独编译命令如下

-c u-boot  #编译U-BOOT
-c kernel  #编译内核
-c rootfs  #编译根文件系统

制作BOOT.BIN启动文件

Petalinux 提供了petalinux-package 命令将 PetaLinux 项目打包为适合部署的格式

petalinux-package --boot命令可生成可引导映像，可直接与Zynq设备的FPGA设计一起使用

ZYNQ的启动文件BOOT.BIN一般包含fsbl文件、bitstream文件和U-BOOT文件
使用下面的命令可生成BOOT.BIN文件

petalinux-package --boot --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga --u-boot --force

参数--boot表明我们要通过petalinux-package命令生成BOOT.BIN启动镜像文件
参数--fsbl用于指定 fsbl 镜像文件的位置
参数--fpga用于指定 bitstream文件的位置
参数--u-boot用于指定 U-BOOT文件的位置
参数--force表示强制覆盖当前目录下的BOOT.BIN文件

制作SD启动卡

配置过程详见正点原子启明星ZYNQ之Linux开发指南第六章6.2.10节
插入SD卡，连接到虚拟机，会出现一个BOOT分区
然后将该工程image/linux目录下的BOOT.BIN和image.ub文件拷贝到BOOT分区，最后拔出SD卡

开发板启动

1. 将SD卡插入卡槽，连接串口通信线
2. 将启明星底板上的启动模型设置为从SD卡启动（双OFF）
3. 连接电源线，上电
4. 打开Mobaxterm，连接串口，登录linux系统

U-BOOT

U-BOOT简介

1. U-BOOT全称Universal Boot Loader（通用启动、引导程序），本质上是一个开源的裸机程序，作用在于去启动、引导Linux内核或者其他内核。
2. U-BOOT包含SD卡或者QSPI等设备的驱动程序、I2C等，还包括文件系统以及网络相关的协议
3. 支持多种操作系统和多种硬件平台
4. U-BOOT源码种类很多，有U-BOOT官方提供的，有Soc厂商（比如Xilinx）提供的，当然也有开发板厂商提供的。

U-BOOT与FSBL

FSBL全称First Stage Boot Loader（第一阶段启动、引导程序）
即FSBL是开发板在开机上电后运行的第一段代码
系统启动后，FSBL代码会第一个运行，用于引导、启动用户裸机程序

在嵌入式Linux系统中，对于ZYNQ平台来说，BOOT.BIN = FSBL + U-BOOT + bitstream
即先由FSBL启动U-BOOT，再由U-BOOT用于启动内核

FSBL的启动

1. BOOT.BIN启动文件已经存在SD卡或者QSPIT等存储介质中
2. FSBL代码已经集成在BOOT.BIN文件中
3. 要启动FSBL，就要先从BOOT.BIN文件中找到FSBL代码，再将其拷贝到SRAM中，再去运行FSBL代码
4. 以上操作由BootROM来完成

BootROM

1. BootROM是固化在ZYNQ芯片内部的一个程序，存放在SROM中
2. BootROM支持文件系统操作，如Fat 32

总结

对于ZYNQ平台，对于嵌入式Linux系统来说：

1. Linux内核由U-BOOT引导、启动
2. U-BOOT由FSBL引导、启动
3. FSBL由ZYNQ片内BootROM引导、启动

SD卡启动流程

详见UG585手册 Ch6:Boot and Configuration–BootROM Code–SD Card Boot

1. 初始化MIO引脚，将MIO40~MIO45复用为SD0外设所对应的CLK/CMD/DATA引脚
2. 初始化SD卡外设，驱动SD卡，实现SD卡读写测试
3. 对SD卡读写进行测试
4. 从SD卡文件系统当中读取BOOT.BIN文件，并对BOOTROM头进行解析
5. 得到FSBL代码的运行地址启动FSBL

QSPI启动流程

详见UG585手册 Ch6:Boot and Configuration–BootROM Code–Quad-SPI Boot

1. 初始化MIO引脚，将MIO引脚复用为QSPI外设所需的引脚功能
2. 初始化QSPI外设，驱动QSPI Flash设备，可以实现QSPI读写操作
3. 对QSPI进行读写测试
4. 从QSPI存储介质中读取BOOT.BIN文件，并对BootROM头进行解析
5. 得到FSBL代码的运行地址启动FSBL

制作BOOT.BIN文件

U-BOOT操作命令

基础命令

1. 查询命令help 很重要！不懂就查
2. 获取板子信息bdinfo
3. 打印字符串echo
4. 获取版本信息version

环境变量命令

1. 查看环境变量printenv
printenv 查看U-BOOT所有环境变量
   printenv 变量名 查看指定的一个环境变量
2. 添加/设置环境变量setenv
setenv 变量名 变量值
3. 删除环境变量setenv
setenv 变量名 即为某一变量名添加/设置一个变量值，该值为空
4. 删除环境变量setenv
5. 保存环境变量saveenv
6. env命令合集
   env default -a 最为常用，恢复U-BOOT环境变量为默认环境变量
   env delete 变量名 “删”
   env print 变量名（可选） “查”
   env save “保存”
   env set 变量名 变量值 “设置/添加”

命令行操作下的环境变量都是在内存中维护
只有将环境变量保存到外部Flash存储设备中，才能让之前修改的环境变量在下一次启动时生效

内存操作命令

1. md命令——memory display，用于查看内存数据
   用法：md [.b, .w, .l] address [# of objects]
   md.b 表示以1个字节为单位进行数据显示
   md.w 表示以2个字节为单位进行数据显示
   md.l 表示以4个字节为单位进行数据显示
   md 默认以4个字节为单位进行数据显示，即md.l
   address 内存起始地址
   [# of objects] 可选参数，表示显示多少个数据
   U-BOOT命令行中，所有数字的进制都是十六进制
2. nm命令——memory modify，用于修改固定内存地址的数据
   用法：nm [.b, .w, .l] address
   按q退出修改模式
3. mm命令——memory modify，用于修改自增内存地址的数据
   用法同nm，不过内存地址不固定，内存地址会自增长
4. mw命令——memory write，写内存操作，用于将一段内存地址填充为某一个数据
   用法：mw [.b, .w, .l] address value [count]
5. cp命令——memory copy，用于实现内存数据之间的拷贝
   用法：cp [.b, .w, .l] source target count
   source 源地址
   target 目标地址
   count 数据数量
6. cmp命令——memory compare，比较两个内存地址中存储的数据是否一致
   用法：cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count

EMMC和SD卡操作命令

U-BOOT 支持 EMMC 和 SD 卡，统一使用 mmc 来代指 EMMC 和 SD 卡
mmc命令合集

mmc info - display info of the current MMC device
mmc read addr blk# cnt
mmc write addr blk# cnt
mmc erase blk# cnt
mmc rescan
mmc part - lists available partition on current mmc device
mmc dev [dev] [part] - show or set current mmc device [partition]
mmc list - lists available devices
mmc hwpartition [args...] - does hardware partitioning

QSPI操作命令

sf命令集

sf probe [[bus:]cs] [hz] [mode] 		- init flash device on given SPI bus and chip select
sf read addr offset|partition len       - read `len' bytes starting at
                                          `offset' or from start of mtd
                                          `partition'to memory at `addr'
sf write addr offset|partition len      - write `len' bytes from memory
                                          at `addr' to flash at `offset'
                                          or to start of mtd `partition'
sf erase offset|partition [+]len        - erase `len' bytes from `offset'
                                          or from start of mtd `partition'
                                         `+len' round up `len' to block size
sf update addr offset|partition len     - erase and write `len' bytes from memor                                                                                 y
                                          at `addr' to flash at `offset'
                                          or to start of mtd `partition'
sf protect lock/unlock sector len       - protect/unprotect 'len' bytes starting
                                          at address 'sector'

USB操作命令

usb start - start (scan) USB controller
usb reset - reset (rescan) USB controller
usb stop [f] - stop USB [f]=force stop
usb tree - show USB device tree
usb info [dev] - show available USB devices
usb test [dev] [port] [mode] - set USB 2.0 test mode (specify port 0 to indicate the device's upstream port) Available modes: J, K, S[E0_NAK], P[acket], F[orce_Enable]
usb storage - show details of USB storage devices
usb dev [dev] - show or set current USB storage device
usb part [dev] - print partition table of one or all USB storage    devices
usb read addr blk# cnt - read `cnt' blocks starting at block `blk#'
    to memory address `addr'
usb write addr blk# cnt - write `cnt' blocks starting at block `blk#'
    from memory address `addr'

网络操作命令

1. ping 命令——用于测试开发板与另一台主机之间的网络连通性
   用法：ping pingAddress 只能ping某一个ip地址
   开发板的网络相关环境变量需要提前设置，包括ipaddr、gatewayip、netmask
2. nfs 命令——使用NFS协议通过网络启动镜像
   用法：nfs [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
   在使用该命令之前需要先设置serverip这个环境变量
3. tftboot 命令——通过tftp协议下载文件到开发板内存中
   用法：tftpboot [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
4. tftput 命令——将内存中数据通过tftp协议上传到tftp服务器，以文件的形式存在
5. dhcp 命令——使用DHCP协议下载文件
   用法：dhcp [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
6. bootp 命令——通过BOOTP/TFTP协议下载文件，同dhcp命令
   用法：bootp [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]

Fat文件系统操作命令

1. fstype 命令——用于查看一个文件系统的类型
   用法：fstype :
   interface 用于描述接口类型，mmc、usb等
   dev 用于指定设备，设备编号都是从0开始的
   part 用于指定分区，分区编号都是从1开始的
2. fatinfo 命令——用于查看fat文件系统信息
   用法：fatinfo []
   dev 为必选参数
   part 为可选参数
3. fatls 命令——用于列举出Fat文件系统某个目录下的文件，默认根目录"/"
   用法：fatls [] [directory]
   例：fatls mmc 0:1
   directory 可选参数，用于指定查看的目录，目录表示方法同Linux系统
4. fatload 命令——用于从fat文件系统中读取文件到内存中
   用法：fatload [ [ [ [bytes [pos]]]]]
   常用方法：fatload interface dev:part addr filename
5. fatwrite 命令——用于将内存中的数据写入到Fat文件系统中
   用法：fatwrite []
   常用方法：fatwrite interface dev:part addr filename bytes

Ext4、Ext2文件系统操作命令

1. ext4ls 命令——用于列举出Ext4文件系统某个目录下的文件，默认根目录"/"
   用法：ext4ls [] [directory]
   例：ext4ls mmc 0:2
2. ext4load 命令——用于从Ext4文件系统中读取文件到内存中
   用法：ext4load [ [ [ [bytes [pos]]]]]
   常用方法：ext4load interface dev:part addr filename
3. ext4write 命令——用于将内存中的数据写入到Ext4文件系统中
   用法：ext4write
   常用方法：ext4write interface dev:part addr sizebytes

Ext2文件系统操作命令只需将以上命令中的Ext4换成Ext2即可

文件系统操作命令

以下三条命令与具体的文件系统类型无关，即既可以用于Fat，也可以用于Ext文件系统

1. ls 命令——用于列出文件系统中的所有文件和文件夹
   用法：ls [ [directory]]
2. load 命令——用于读取文件系统中的文件到内存中
   用法：load [ [ [ [bytes [pos]]]]]
3. save 命令——用用于将内存中的数据写入到文件系统中
   用法：save bytes [pos]

串口下载操作命令

1. loadb 命令——通过串口的方式下载文件到内存中，使用kermit mode
   用法：loadb [ off ] [ baud ]
   off 指的是内存地址
   baud 即波特率，一般是115200
2. loadx 命令——通过串口的方式下载文件到内存中，使用xmodem mode
   用法：loadb [ off ] [ baud ]
3. loady 命令——通过串口的方式下载文件到内存中，使用ymodem mode
   用法：loadb [ off ] [ baud ]

加载FPGA镜像相关命令

1. fpga info 命令——查看FPGA信息
   用法：fpga info [ dev ]
2. fpga loadb 命令——从.bit文件加载FPGA，用该命令前先将bit文件拷贝到开发板内存中
   用法：fpga loadb [dev] [address] [size]