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ZYNQ-7000芯片用u-boot启动linux系统方法

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ZYNQ-7000芯片用u-boot启动linux系统方法

  • ZYNQ-7000系列芯片运行Linux操作系统需要BOOT.BIN文件、image.ub文件和rootfs。
  • BOOT.BIN 文件由fsbl.elf、bitstream和u-boot.elf（裸机elf程序）文件组成。 fsbl.elf 是由xilinx设计的，由OCM加载执行，有两个主要功能。第一是用于加载bitstream到PL，第二是根据BOOT.BIN文件组成，执行u-boot或是裸机elf程序。 bitstream 文件是FPGA的配置文件。裸机elf程序用于在不启动操作系统的情况下运行一些软件。 u-boot.elf 是一种bootloader程序，可以根据不同的硬件情况，在不同的场景下引导操作系统镜像的执行。
  • image.ub 文件是由操作系统的镜像文件uImage和设备树文件dtb组成。uImage由压缩过的操作系统镜像zImage和一段由u-boot在引导时会读取的头image_header_t（64B）组成，这个头用于储存u-boot在引导系统时所要获取的一些信息。zImage由未压缩的内核镜像vmlinux和解压代码组成。在u-boot引导内核时，会解压zImage到内存中执行。
  • rootfs 是linux的根文件系统，在linux系统启动过程中，必须要挂载这样一个根文件系统。我们的可执行程序以及所用到的库文件、linux系统的配置文件等，都会存储在这样一个根文件系统中。

  • SD卡启动的最大优点就是方便可携带， SD卡被分为两个分区。一个FAT32分区存放BOOT.BIN和image.ub文件，一个ext4分区存放rootfs。

  • zynq-7000有两个SD控制器，在blockdesign里配置zynq核时，根据硬件原理图显示（SD连到了PS端，电路接口与zynq的MIO40-45相连），选择SD0并选择正确的MIO口。

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  • 输入 petalinux-config --get-hw-description -p ./ 配置硬件。

  • 选择SD0作为首选SDIO。

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  • 选择SD作为BOOT.BIN的存储介质。

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  • 默认FLASH作为u-boot环境变量的存储介质，u-boot会根据下面的FLASH分区表到指定的位置读取环境变量。忽略除bootenv外的其它部分，因为FLASH中根本就没有这些部分，它们都在SD卡上。在这里只会用到FLASH中的bootenv。

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  • 根据前面所分析，内核镜像当然在SD卡上喽。

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  • 下面还有能设置文件系统的存储介质，这里我们不管它，因为我们不从FALSH加载文件系统，不对它进行设置。那我们在哪设置呢？

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  • 在如下目录，设置文件系统的类型和位置，我们的文件系统在SD卡的第二分区，所以选择文件系统类型为SD，设备节点设置为 /dev/mmcblk0p2 。

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  • 可以看到，有这么多种文件系统类型。从上到下依次为，内存文件系统、ramdisk文件系统、闪存文件系统、网络文件系统、SD文件系统。

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  • 我们的设备树和系统镜像是绑定的，所以如下设置设备树。

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  • 输入 petalinux-config -c u-boot 配置u-boot支持的启动内核方式，内核在SD卡中，所以这里是从SD启动。

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  • 如上所示，从SD卡启动已配置完成，输入 petalinux-build 编译内核即可。

  • 我们用petalinux配置完后，petalinux会根据我们的配置生成u-boot的环境变量，进入u-boot后输入 printenv 查看环境变量。

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  • 下面我简要分析一下u-boot的环境变量。

    bootcmd=run default_bootcmd bootcmd变量用于启动内核，在u-boot中输入 run bootcmd 即可启动内核。

    default_bootcmd=run cp_kernel2ram && bootm ${netstart}

    cp_kernel2ram=mmc dev 0 && mmcinfo && fatload mmc 0 ${netstart} ${kernel_img} cp_kernel2ram变量用于将内核加载到内存中， mmc dev 0 用于切换到设备mmc0， mmcinfo 用于打印mmc的信息， fatload 用于从FAT32文件系统中加载文件到内存的给定位置。 netstart=0x10000000 给定了加载到的内存位置， kernel_img=image.ub 指定了文件的名称。 bootm 用于从指定的内存地址启动系统镜像，在这里即从加载到的位置启动镜像。

  • 在系统启动过程中我们看到，挂载了SD卡上的rootfs。

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  • QSPI_FLASH 启动时， FLASH被分为四个分区。partition0存放BOOT.BIN文件，partition1存放u-boot的环境变量，partition2存放image.ub，partition3存放文件系统。

  • 一般情况下，当应用程序需要使用一些库，如Qt库时，文件系统所占空间会比较大。当FPGA逻辑部分比较复杂时，bitstream文件也会比较大，故BOOT.BIN文件会很大。我的硬件FLASH只有32MB，在这种情况下是肯定放不下的。所以一般不使用这种方式。

  • 下面我简要介绍一下这种方式的实现。

  • QSPI_FLASH启动时，我们要用到FLASH芯片了，我们要在blockdesign里配置QSPI用于读写FLASH。我们使用的核心板上两块FLASH芯片并行连接成8bit宽，每个FLASH为4bit宽，即4线spi（QSPI）。

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  • 我们要根据每个文件的大小对FLASH的分区进行设置，一般情况下，FLASH是放不下这些文件的。每个分区大小设置如下，其实已大于FLASH的总大小32MB。下面估计每个文件的大小：

    Boot.BIN 17.9MB 分配18MB 0x1200000

    bootenv 分配128KB 0x20000

    image.ub 3.7MB 分配4MB 0x400000

    jffs2 分配8MB 0x800000 实际14.1MB

    我们看到，32MB的FLASH根本放不下！！！！！

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  • BOOT.BIN，linux内核及文件系统都在FLASH里。

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  • 文件系统类型选择jfss2闪存文件系统。

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  • 同样，U-boot选择从FLASH启动linux内核。

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  • 镜像编译完成后，我们反编译设备树，可以看到FLASH的分区如下所示，已经超出了FLASH的32MB存储范围。

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  • 用JTAG将BOOT.BIN下载至FLASH后，在u-boot启动后打印环境变量。

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  • 下面简要分析一下该环境变量。

    bootcmd=run default_bootcmd ， default_bootcmd=run cp_kernel2ram && bootm ${netstart} 如前文所述，不再叙述。

    cp_kernel2ram=sf probe 0 && sf read ${netstart} ${kernelstart} ${kernelsize}

    cp_kernel2ram 用于将内核镜像从存储介质复制到内存执行。 sf probe 0 用于初始化与给定SPI总线相连接的FLASH设备。 sf read 用于从给定的内存地址读取数据并保存到FLASH上。 netstart=0x10000000 为镜像加载的内存地址， kernelstart=0x1220000 为给内核分配的FLASH起始地址， kernelsize=0x400000 为给内核分配的FLASH存储空间。

  • 如下图，设置板子和主机的ip地址，连接以太网并打开tftp服务器，通过通过tftp下载image.ub和jfss2到FLASH中，并启动内核。注意到，内核不一定能启动成功，因为FLASH放不下jffs2。

    set serverip 192.168.10.124

    set ipaddr 192.168.10.1

    tftp 0x10000000 image.ub

    sf probe 0

    sf erase 0x01220000 0x400000

    sf write 0x10000000 0x01220000 0x400000

    tftp 0x10000000 rootfs.jffs2

    sf erase 0x1620000 0xd6e770

    sf write 0x10000000 0x1620000 0xd6e770

    sf erase 0x1620000 0x800000

    sf write 0x10000000 0x1620000 0x800000

    https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/a18c821c3535568fa923971375d30e21.png#pic_center

    https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/8c3a8753e627fa9b172725e792b83ea0.png#pic_center

    https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/46ad8d41d02044dd33a43ed61154fb70.png#pic_center

  • 可以看到，完整的jffs2根本就无法下载到FLASH中，只能将不完整的jffs2文件系统下载到FLASH中。

  • 现在，FLASH中已经有BOOT.BIN，image.ub，jffs2了，重启后，u-boot会从FLASH中读取内核并挂载jffs2，可能启动失败，因为文件系统不完整！！

  • 我们看到，在系统启动过程中，打印了许多jffs2错误和空间不足等信息，这是我们预料之中的。最神奇的是，我们竟然能登录进入系统。不得不说，Linux真的牛逼！！虽然系统能够进去，但使用肯定是不正常的，因为外存空间不足了。

    https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/24e1280fc3a7d272f0896b566c1f21aa.png#pic_center

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  • 大家最好还是别用这种方式了，如果有EMMC的话，它不香吗？

3. QSPI_FLASH + EMMC启动

  • 在项目中，我一般使用这种方式，QSPI_FLASH + EMMC启动最大的优点是EMMC芯片稳定、可靠性高、能适用于震动等环境相对恶劣的场合。

  • QSPI_FLASH + EMMC启动时，BOOT.BIN文件存放在FLASH中，大容量（8GB）EMMC芯片被分为两个分区，第一个FAT32分区存放image.ub，第二个ext4分区存放rootfs。

  • 我所使用的开发板EMMC接在了PL端，PS端通过EMIO接口路由到PL端，我们要在PL端进行约束，从而使得PS能与EMMC通信。（关于MIO与EMIO可见 ）

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    https://i-blog.csdnimg.cn/blog_migrate/ad4bec80ce93eb2cd0eaaab85f4e8901.png#pic_center

4. QSPI_FLASH + RAMFS启动

5. QSPI_FLASH + NFS启动

更新于 2024-11-27
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