Zynq-7000 的 Xillinux 入门 v2.0 （机器翻译）

3 构建 Xillinux

3.1 概述

Xillinux 发行版旨在作为一个开发平台，而不仅仅是演示：在其为硬件运行做准备的过程中，会构建一个可直接用于定制逻辑开发和集成 的环境。因此，首次试运行的准备时间略长（通常约 30 分钟，其中大部分时间用于等待 AMD 工具完成）。然而，这种较长的准备工作会缩 短集成定制逻辑的迭代周期。

要使 Xillinux 发行版从（Micro）SD 卡成功启动，该卡必须包含两个组成部分：

• 启动分区中的 FAT32 文件系统，其中包括启动加载程序、FPGA 部分（即 PL）的配置比特流，以及 Linux 内核启动所需的 二进制文件。

• Linux 挂载的 ext4 根文件系统。

下载的 Xillinux 原始镜像已将几乎所有内容设置完毕。启动分区中只缺少三个文件，其中一个需要使用 AMD 工具生成，另外 两个从启动分区套件中复制。

本节将逐步详细介绍准备（Micro）SD 卡的各种操作。

该流程包括以下步骤，必须按照下面列出的顺序执行。

• 解压启动分区套件。

• 运行主 PL（FPGA）工程的实现。

• 将 Xillinux 镜像写入（Micro）SD 卡。

• 将三个文件复制到（Micro）SD 卡的启动分区。

关于如何配合其他开发板工作，请参见第 5.2 节。

3.2 解压启动分区套件

将之前下载的 xillinux-eval-board-XXX.zip 文件解压到一个工作目录中。

该套件包含以下目录（或其中部分）：

• verilog——包含主逻辑的工程文件以及一些 Verilog 源文件（位于 ‘src’ 子目录下）。

• vhdl——包含主逻辑的工程文件以及一些源文件。需要编辑的 VHDL 文件位于 ‘src’ 子目录下。

• cores——Xillybus IP 核的预编译二进制文件。

• system——用于生成与处理器相关逻辑的目录。

• bootfiles——包含两个与开发板相关的文件，需复制到启动分区。

• vivado-essentials——供 Vivado 使用的定义文件和构建目录，用于处理器相关逻辑和通用逻辑。

有适用于 Z-Turn Lite、Zedboard、MicroZed 和 Zybo 的套件。如果使用其他开发板，除了第 5.2 节中列出的问题外，还需要 相应地编辑约束文件 vivado-essentials/xillydemo.xdc。

请注意，vhdl 目录中包含 Verilog 文件，但这些文件均不需要用户编辑。

与 Xillybus IP 核的接口位于各自 ‘src’ 子目录下的 xillydemo.v 或 xillydemo.vhd 文件中。如果您希望使用自己的数据源和数据 接收端来试用 Xillybus，则正是需要编辑此文件。

3.3 生成比特流文件

3.3.1 概述

Vivado 会生成大量中间文件，且目录结构较为复杂，这使得项目难以管理。为保持套件中文件结构的紧凑性，我们提供了一个 Tcl 脚本 用于创建 Vivado 工程。该脚本会新建一个名为 “vivado” 的子目录，并按需在其中填充各种文件。

该工程依赖于 src/ 子目录下的文件（不会复制这些文件）。处理器、其互连和外设，以及逻辑所使用的 FIFO，均在 vivado-essentials/ 中定义；在工程实现过程中，Vivado 也会在该目录中填充中间文件。

工程的实现可基于 Verilog 或 VHDL。

3.3.2 选择目标 Zynq 器件（仅限 Z-Turn Lite）

此步骤仅适用于 Z-Turn Lite 的演示套件。

使用文本编辑器打开套件根目录下的 select_part.tcl 文件。该文件末尾四行是用于设置 Vivado 工程所面向 Zynq 器件的 Tcl 命令。这四行均以 “#” 字符注释掉了。

请从其中一行的行首去掉一个 “#” 字符，以选择您 Z-Turn Lite 开发板上的 Zynq 器件。

如果后续需要使用其他 Zynq 器件，请相应更改 Vivado 工程的设置并重新实现工程。select_part.tcl 仅在工程生成时被引 用，因此之后再对其修改不会产生任何影响。

3.3.3 准备 xillydemo.vhd（仅限 VHDL 工 程）

仅当同时满足以下两个条件时才需执行此步骤：

• 工程使用 VHDL。

• 演示套件面向除 Z-Turn Lite 之外的任何开发板。

如果两个条件均满足，则需要编辑 vhdl/src/xillydemo.vhd： 删除 Xillydemo 实体端口列表开头处的以 下三行：

    PS_CLK : IN std_logic;
    PS_PORB : IN std_logic;
    PS_SRSTB : IN std_logic;

同时，取消注释 结构体定义中的以下行（去掉 “--” 注释 标记）：

  -- signal PS_CLK : std_logic;
  -- signal PS_PORB : std_logic;
  -- signal PS_SRSTB : std_logic;

任何 Verilog 源文件均无需修改。

3.3.4 生成 Vivado 工程

启动 Vivado 2014.4 或更高版本。

在未打开任何工程的情况下，选择 Tools > Run Tcl Script...，然后根据您的偏好，在 verilog/ 或 vhdl/ 子目录中选择 xillydemo-vivado.tcl。 一系列操作将在一分钟之内完成。可以通过查看 Vivado 窗口底部的 “Tcl Console” 选项卡，并确认其最后一行显示以下内容来验证工程部署是否成功：

INFO: Project created: xillydemo

如果 Tcl 控制台输出的最后一行不是上述内容，则表示出了问题。

此阶段可能会出现 Critical Warning（严重警告），但不应有错误。然而，如果工程已经生成过（即该脚本已运行过），再次 尝试运行该脚本将导致以下错误：

ERROR: [Common 17-53] User Exception: Project already exists on disk,
   please use '-force' option to overwrite:

3.3.5 工程的实现

工程创建完成后，运行实现流程： 点击左侧 Flow Navigator 栏中的 “Generate Bitstream”。

可能会弹出一个窗口，询问是否允许启动综合和实现——请选择 “Yes”。

Vivado 会依次运行一系列进程，通常需要几分钟时间。期间会发出若干警告，其中部分可能被归类为严重警告，但不应出现错误。

之后会弹出一个窗口，告知比特流已成功生成，并让您选择下一步操作。任何选项均可，包括选择 “Cancel”。

生成的比特流文件 xillydemo.bit 位于 vivado/xillydemo.runs/impl_1/ 目录下。

实现流程通常不应失败，但仍有几种值得注意的错误情况：

• 在 VHDL 设计中，布局器（Placer）失败并报 “IO placement is infeasible”。如果在 VHDL 实现中遇到此问题，请确保已按 上述要求编辑了 xillydemo.vhd。

• write_bitstream 失败，并报 DRC 错误，提示 PS_CLK、PS_PORB 和 PS_SRSTB 未指定、未布线和未约束——同样，请确保已按上述 要求编辑了 xillydemo.vhd。

• 报错 “Timing constraints weren’t met”（时序约束未满足）。当集成了定制逻辑后，可能导致工具无法满足时序要求。这意味 着设计在语法上是正确的，但需要修正以确保某些路径在给定的时钟速率和/或 I/O 要求下足够快。为改善时序而修正设计的过程通常称为 时序收敛（timing closure）。

  时序约束失败通常会以严重警告的形式发出，此时允许用户生成比特流，但无法保证 FPGA 的行为正确。为防止生成此类不 可靠的比特流，我们通过一个小型 Tcl 脚本 “showstopper.tcl” 将时序失败提升为错误级别；该脚本会在布线运行结束时自动执行。若要关闭 此安全措施，请点击 Flow Navigator 中 “Project Manager” 下的 “Project Settings”，选择 “Implementation” 选项卡，向下滚动找到 “route_design” 的设置，然后从 tcl.post 中移除 showstopper.tcl。

• 任何其他错误很可能是由用户更改所致，应根据具体情况进行处理。

3.4 将镜像写入（Micro）SD 卡

3.4.1 概述

本任务的目标是将镜像文件写入（Micro）SD 卡。该文件名为 xillinux-2.0a.img.gz，是以压缩文件（gzip 格式）下载 的。

该（Micro）SD 卡镜像已准备好启动，但还缺少三个文件，需要在写入卡中之后添加。

该镜像应解压缩后写入（Micro）SD 卡的第一个扇区及之后的位置。有多种方法和工具可以完成此操作，下面推荐几 种。

镜像中包含分区表、一个部分填充的 FAT 文件系统（用于放置初始启动文件）以及 ext4 类型的 Linux 根文件系统。几乎所有 Windows 计算机都会忽略第二个分区，因此（Micro）SD 卡可能显示容量很小（约 16 MB）。

写入完整磁盘镜像并非普通电脑用户的操作，因此在 Windows 上需要特殊软件，在 Linux 上也需要格外小心。以下段落将分 别说明如何在两种操作系统上执行此操作。

如果没有（Micro）SD 卡 USB 读卡器（或电脑没有专用插槽），也可以使用开发板本身来写入镜像，如第 3.4.4 节所述。

3.4.2 写入镜像（Windows）

在 Windows 上，需要使用专用应用程序来复制镜像，例如 USB Image Tool。当使用 USB 读卡器访问（Micro）SD 卡时，此工具适用。

某些电脑（尤其是笔记本电脑）自带（Micro）SD 卡插槽，可能需要使用其他工具，例如 Win32 Disk Imager。在运行 Windows 7 时也可能如此。

这两个工具均可从网上多个站点免费下载。以下操作步骤假设使用 USB Image Tool。

对于图形界面，请运行 “USB Image Tool.exe”。主窗口出现后，插入 USB 读卡器，选择左上角出现的设备图标。确保左上 角下拉菜单中处于 “Device Mode”（而非 “Volume Mode”）。点击 Restore，并将文件类型设置为 “Compressed (gzip) image files”。选择下 载的镜像文件（xillinux-2.0a.img.gz）。整个过程大约需要 4-5 分钟。完成后，卸载设备（“安全移除硬件”）并拔掉读卡器。

在某些机器上，GUI 可能无法运行并报错，提示软件初始化失败。此时可使用命令行替代方案，或者需要安装 Microsoft .NET framework 组件。

另外，也可以从命令行执行此操作（如果 GUI 尝试失败，这是一个快捷的替代方案）。这分两步进行。首先，获取设备编 号。在 DOS 窗口中，切换到应用程序解压后的目录并执行（典型会话如下）：

C:\usbimage>usbitcmd l

USB Image Tool 1.57
COPYRIGHT 2006-2010 Alexander Beug
http://www.alexpage.de

 Device | Friendly Name                     | Volume Name | Volume Path | Size
------------------------------------------------------------------------------
    2448 | USB Mass Storage Device |                           | E:\        | 4024 MB

（注意 “usbitcmd” 后面的字符是字母 “l”，不是数字 “1”）

现在有了设备编号，即可执行写入（“restore”）操作：

C:\usbimage>usbitcmd r 2448 \path\to\xillinux-2.0a.img.gz /d /g

USB Image Tool 1.57
COPYRIGHT 2006-2010 Alexander Beug
http://www.alexpage.de

Restoring backup to "USB Mass Storage Device USB Device" (E:\)...ok

同样，这大约需要 4-5 分钟。请务必把编号 2448 替换为第一步中获得的实际设备编号，并将 \path\to 替换为您电脑上存储（Micro）SD 卡镜像的路径。

3.4.3 写入镜像（Linux）

如上所述，正确识别（Micro）SD 卡对应的设备非常重要。最佳方法是插入 USB 读卡器后，查看主日志文件 （/var/log/messages 或 /var/log/syslog）中类似如下的内容：

Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] 7813120 512-byte logical blocks
Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] Write Protect is off
Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] Assuming drive cache: write through
Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] Assuming drive cache: write through
Sep 5 10:30:59 kernel: sdc: sdc1
Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] Assuming drive cache: write through
Sep 5 10:30:59 kernel: sd 1:0:0:0: [sdc] Attached SCSI removable disk
Sep 5 10:31:00 kernel: sd 1:0:0:0: Attached scsi generic sg0 type 0

输出可能略有不同，但关键是查看内核为新磁盘分配了什么名称。上例中为 “sdc”。

解压镜像文件：

# gunzip xillinux-2.0a.img.gz

将镜像复制到（Micro）SD 卡的命令为：

# dd if=xillinux-2.0a.img of=/dev/sdc bs=512

当然，您应指向之前找到的 U 盘设备。

然后进行验证：

# cmp xillinux-2.0a.img /dev/sdc
cmp: EOF on xillinux-2.0a.img

请注意响应信息：提示镜像文件达到 EOF，说明其余部分比较正确，且 U 盘容量大于实际使用的空间。如果 cmp 没有输出 任何内容（通常会被认为是好的），实际上反而表示出了问题——很可能是在 /dev/sdc 上生成了一个普通文件，而不是写入到设备。

3.4.4 使用 Zynq 开发板写入镜像

第 3.4.3 节描述了如何使用 Linux 电脑和 USB 读卡器写入镜像。也可以使用 Zynq 开发板本身，运行板子自带的示例 Linux 系统来进行此操作。基本 指令相同，只需将目标设备指定为 /dev/mmcblk0（而不是 /dev/sdc）。

当从 QSPI 闪存启动时，或者使用 SD 卡上的示例 Linux 系统（如果板子附带此类卡）时，此方法同样有效。这是因为与 Xillinux 不同，示例系统完全在 RAM 中运行，启动完成后不再使用 SD 卡。因此，如果使用 SD 卡启动，可以将其拔出，再插入另一张卡进 行镜像写入。

如何让 Zynq 开发板访问（Micro）SD 镜像和启动分区文件，取决于您的偏好和 Linux 知识。可以通过网络多种方式实现， 但最简单的方法是将这些文件写入 U 盘，然后连接到 USB OTG 端口。挂载 U 盘：

> mkdir /mnt/usb
> mount /dev/sda1 /mnt/usb

然后即可在 /mnt/usb/ 下读取 U 盘中的文件。

在 Zedboard 上，请确保安装 JP2 跳线，以便为 USB 端口提供 5V 电源。

3.5 将文件复制到启动分区

最后一步是放置启动所需的文件：

• 将启动分区套件 bootfiles/ 子目录下的 boot.bin 和 devicetree.dtb 复制到（Micro）SD 卡的启动分区（第一个分区）。

• 将第 3.3 节 生成的 xillydemo.bit（来自 verilog/ 或 vhdl/ 子目录，取决于所选语言）复制进去。

复制这些文件之前：如果刚刚将镜像写入（Micro）SD 卡，请先拔掉 USB 读卡器，再重新连接到电脑。如果是用 Zynq 开发 板写入原始镜像，则需将（Micro）SD 卡从卡槽中拔出并重新插入。

这是为了确保电脑能识别（Micro）SD 卡的最新分区表。

在 Linux 系统上，可能需要手动挂载第一个分区（例如 /dev/sdb1）。大多数电脑会自动完成此操作。

例如，如果使用 Zynq 开发板本身进行此操作，则输入：

> mkdir /mnt/sd
> mount /dev/mmcblk0p1 /mnt/sd

然后将文件复制到 /mnt/sd/。

在 Windows 系统上，插入（Micro）SD 卡后会显示一个 “磁盘”，其中只有一个文件 uImage。这就是复制文件的正确目标位 置。

完成后，请正确卸载（Micro）SD 卡，然后从电脑上拔下，例如：

> umount /mnt/sd

或在 Windows 上 “安全移除磁盘”。

3.6 启动分区中的文件

在尝试启动之前，请确认启动分区中已包含以下文件。

启动成功需要（Micro）SD 卡的第一个分区（启动分区）中存在四个文件：

• uImage —— Linux 内核二进制文件。这是将 Xillinux（Micro）SD 镜像写入卡后，启动分区中已有的唯一文件。该内核与开发板无 关。

• boot.bin —— 初始启动加载程序。该文件包含处理器初始化和 U-boot 工具，不同开发板之间差异显著。

• devicetree.dtb —— 设备树二进制文件（Device Tree Blob），包含 Linux 内核所需的硬件信息。

• xillydemo.bit —— PL（FPGA）配置文件，由第 3.3 节生成。