Zynq-7000 的 Xillinux 入门 v2.0

6 Linux 注意事项

6.1 概述

本节包含与 Xillinux 相关的特定 Linux 主题。

关于 Xillybus 和 Linux 的更广泛视角，请参阅以下文档：

6.2 编译 Linux 内核

由于其体积较大，完整的 Linux 内核源码未包含在 Xillinux 发行版中，但可通过以下命令从 Github 下载：

$ git clone https://github.com/xillybus/xillinux-kernel.git

要精确复现 Xillinux-2.0 所使用的内核，请检出 “xillinux-2.0a” 标签。通过类似以下形式告知内核构建环境所需的交叉编译器：

$ export CROSS_COMPILE=/path/to/crosscompiler/arm-xilinx-linux-gnueabi-

然后获取用于编译 Xillinux-2.0 内核的 .config 文件：

$ make ARCH=arm xillinux_defconfig

接着运行内核编译：

$ make ARCH=arm -j 8 uImage modules LOADADDR=0x8000

要构建设备树二进制文件（Device Tree Blobs），在如上所述设置好交叉编译器和 .config 文件后，可使用以下命令：

$ make ARCH=arm dtbs
[ ... ]
  DTC arch/arm/boot/dts/xillinux-microzed.dtb
  DTC arch/arm/boot/dts/xillinux-zedboard.dtb
  DTC arch/arm/boot/dts/xillinux-zybo.dtb
  DTC arch/arm/boot/dts/xillinux-zturn-lite.dtb

DTB 文件位于 arch/arm/boot/dts/ 中，正如命令输出所示。

6.3 编译内核模块

Xillinux 发行版附带运行中内核的编译头文件。这不足以执行内核本身的编译，但允许直接在平台上编译内核模块。

编译树外内核模块的标准方法是使用 Makefile，该 Makefile 在设置环境变量后调用内核自身的构建环境，以执行特定模块的编译。

对于由单个源文件 example.c 构成的内核模块，本地编译（由 Zynq 处理器自身执行）的最小 Makefile 如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m      := example.o
else
TARGET := $(shell uname -r)
PWD := $(shell pwd)
KDIR := /lib/modules/$(TARGET)/build

default:
      @echo $(TARGET) > module.target
      $(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modules
endif

注意模块名称 “example” 仅在 “obj-m” 行中出现。这是不同 Makefile 之间唯一不同之处。

使用此 Makefile 通常会产生如下编译会话（在开发板本身上运行；这不是交叉编译）：

# make
make -C /lib/modules/4.4.30-xillinux-2.0/build SUBDIRS=/root/example modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-4.4.30-xillinux-2.0'
 CC [M] /root/example/example.o
 Building modules, stage 2.
 MODPOST 1 modules
 CC     /root/example/example.mod.o
 LD [M] /root/example/example.ko
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-4.4.30-xillinux-2.0'

6.4 音频支持

6.4.1 概述

Zedboard 和 Zybo 开发板分别通过 Analog Devices 的 ADAU1761 和 SSM2603 芯片组支持音频录制和播放。这些芯片仅连接到 Zynq 器件的逻辑结构（PL）引脚。

除了其明显的功能外，音频支持套件还演示了如何使用 Xillybus IP 核传输数据，以及如何通过 SMBus / I²C 对芯片进行编程。

Xillinux 通过将专用的 Xillybus 数据流与当今 Linux 上最常用的音频工具包 Pulseaudio 对接，原生支持音频。因此，几乎所有需要声卡的应用程序都会正确地将开发板的音频芯片用作系统默认输入和输出。

也可以关闭 Pulseaudio 守护进程，直接使用 Xillybus 数据流（/dev/xillybus_audio）。这提供了仅打开设备文件的更简单编程接口，但代价是失去其他应用程序的原生功能。

与 Linux 声卡的常见方法不同，音频接口没有专用的内核驱动程序（例如 ALSA），因为 Xillybus 主机驱动程序已经处理了数据传输。这并无大碍，即使是对期望使用 /dev/dsp 的程序也是如此，因为 Pulseaudio 能够通过 “padsp” 工具模拟该接口。

6.4.2 使用细节

默认情况下，音频播放输出到耳机插孔（黑色）。在 Zedboard 上，同一输出也会送到 Line Out（绿色）。录音仅使用麦克风输入（粉色），但可以更改，如下所述。

6.4.3 相关启动脚本

在 Zedboard 和 Zybo 上设置音频有两个任务：对音频芯片进行编程和启动 Pulseaudio 守护进程。

对于第一个任务，/etc/systemd/system/ 中有两个 systemd 单元文件：

xillinux_sound.service：启动时执行 /usr/local/bin/xillinux-sound。
xillinux_sound.path：指示 systemd 等待 /dev/xillybus_smb 出现，一旦出现则启动上述服务。注意，这不是基于 udev，而是基于 inotify 监视 /dev。

/usr/local/bin/xillinux-sound 识别其运行的开发板，并运行相应的脚本 /usr/local/bin/zybo_sound_setup.pl 或 /usr/local/bin/zedboard_sound_setup.pl。

Pulseaudio 守护进程在用户首次登录系统时启动，这通过位于 /etc/systemd/user/ 的用户服务单元文件 xillinux_pulseaudio.service 实现。

由于 Xillinux 在串行控制台和屏幕控制台上都自动登录 root 用户，Pulseaudio 在系统启动完成后不久便会启动。

在多用户计算机上以 root 身份运行 Pulseaudio 并不被推荐，但由于 Xillinux 默认以 root 用户运行，这是问题最小的选择。

如果需要直接访问 /dev/xillybus_audio，则应禁用该服务，例如：

# systemctl --global disable xillinux_pulseaudio
Removed symlink /etc/systemd/user/default.target.wants/
xillinux_pulseaudio.service.

zybo_sound_setup.pl 和 zedboard_sound_setup.pl 是 Perl 脚本，用于设置音频芯片寄存器以确保正常运行。即使不熟悉 Perl 的程序员也能较容易理解。该脚本使用 /dev/xillybus_smbus 设备文件在芯片的 I²C 总线上发起事务。

可以编辑 zedboard_sound_setup.pl 以实现音频芯片的不同设置。特别是，如果需要将 Line In 输入作为录音源，则应将以下行：

write_i2c(0x400a, 0x0b, 0x08);
write_i2c(0x400c, 0x0b, 0x08);

替换为：

write_i2c(0x400a, 0x01, 0x05);
write_i2c(0x400c, 0x01, 0x05);

类似地，可以编辑 zybo_sound_setup.pl，将：

write_i2c(0x04, 0x14);

替换为：

write_i2c(0x04, 0x10);

以使用 Line In 进行录音。

6.4.4 直接访问 /dev/xillybus_audio

可以直接写入 /dev/xillybus_audio 进行播放，或从中读取进行录音。采样格式为每个音频采样 32 位，分为两个小端格式的 16 位有符号整数。最高有效字对应左声道。

采样率固定为 48000 Hz。

如果直接写入 /dev/xillybus_audio，与此采样率匹配的 Windows WAV 文件很可能正常播放（头部也会播放约 1 毫秒），例如使用：

# cat song.wav > /dev/xillybus_audio

如果响应为：

-bash: /dev/xillybus_audio: Device or resource busy

则可能是另一个进程已打开该设备文件进行写入，可能是 Pulseaudio 守护进程。一个进程打开设备文件进行读取，另一个进程打开进行写入，是没有任何问题的。

6.4.5 Pulseaudio 细节

Pulseaudio 通过两个专用的 Pulseaudio 模块（module-file-sink 和 module-file-source）与 /dev/xillybus_audio 设备文件交互。其源码可在 Xillinux 文件系统的 /usr/src/xillinux/pulseaudio/ 中找到。

这些模块是对标准 Pulseaudio 模块（module-pipe-sink 和 module-pipe-source，用于将 UNIX 管道用作数据接收端和源）的轻微修改。

Pulseaudio 启动时，通过 /etc/pulse/default.pa 中的以下两行自动加载这些模块：

load-module module-file-sink file=/dev/xillybus_audio rate=48000
load-module module-file-source file=/dev/xillybus_audio rate=48000

由于没有其他替代方案，这些模块会自动被选为系统的音频接口。

6.5 OLED 工具（仅限 Zedboard）

默认情况下，Xillinux 在启动期间启动一个活动指示器工具，显示近似的 CPU 使用率百分比以及 SD 闪存磁盘的 I/O 速率指示。

CPU 百分比基于 /proc/stat，其中所有未处于空闲状态的时间均视为已用 CPU 时间。

对 SDIO 流量的估算基于发送到相应驱动程序的中断速率。对于该资源的完全利用率没有已知数值。相反，根据先前的测量，该工具将看似最大的中断速率显示为 100%。

为了在开发板的 OLED 上显示图形输出，位图被发送到 /dev/zed_oled，该设备由 Digilent 的驱动程序创建。值得一提的是，该驱动程序通过位操作机制向 OLED 设备发送 SPI 数据，在软件中翻转时钟和数据。因此，以这种方式每秒发送 512 字节数次会消耗少量 CPU，但对整体系统性能的影响极小。

要更改此工具的参数，请编辑 /usr/local/bin/start_zedboard_oled，其核心命令如下：

/usr/local/bin/zedboard_oled /proc/irq/$irqnum/spurious 4 800

应用程序 zedboard_oled 接受三个参数：

用于监视 SDIO 相关中断的 /proc 文件。$irqnum 是 mmc0 设备的中断号。
OLED 显示更新的速率，单位为次/秒。
被视为 SDIO 中断速率 100% 的值，单位为中断/秒。当前数值是通过反复试验得出的。

要阻止此工具在启动时启动：

# systemctl disable zedboard_oled.path
Removed symlink /etc/systemd/system/paths.target.wants/zedboard_oled.path.

6.6 其他注意事项

尽管自内核 3.12 以来 Linux GPIO 驱动程序有所变更，Xillinux-2.0 仍使用了与 Xillinux-1.3 相同的 GPIO 驱动程序，保留了 Xillinux-1.3 的行为和编号方式。

要使用新的 GPIO 驱动程序，请将设备树条目中 compatible = “xlnx,ps7-gpio-1.00.a” 改为 “xlnx,zynq-gpio-1.0”。
Linux 内核以 1 位宽总线访问 Quad SPI 闪存，尽管驱动程序支持四比特接口。可以通过更改相应的设备树条目来启用四比特接口。这不是默认设置，是为了允许同一设备树在内核 3.12（即 Xillinux-1.3）上使用。

Zynq-7000 的 Xillinux 入门 v2.0 （机器翻译）