通过SD卡启动ZedBoard并运行Linaro根文件系统

新近入手了一块国产化ZedBoard，全兼容Digilent ZedBoard，物美价廉。通过几天时间摸索，u-boot，linux，linaro都从官网下载了源码并编译生成镜像，并通过SD卡启动成功，通过本文记录如下。主要讲操作，涉及些许原理，遇到过的问题也对现象、思路、解决办法做了记录，在这里分享给大家。更多的ZedBoard Demo教程，可以访问我的个人网站www.qingchengyouran.com获取。

概述

zynq启动流程

Zynq芯片启动流程如上图所示，可以看出想要将ZedBoard从SD卡启动，需要完成以下准备工作：

1. 将SD卡分为fat32和ext4两个分区，fat32分区保存Linux的内核映像，ext4分区保存Linux文件系统，
2. 通过Vivado生成Bit文件，
3. 导出硬件配置，在SDK中生成fsbl文件，
4. 编译u-boot源码生成u-boot.elf，将.bit、fsbl.elf、u-boot.elf合成为BOOT.BIN文件并拷贝到fat32分区，
5. 编译xilinx-linux源码生成uImage，拷贝到fat32分区
6. 在xilinx-linux源码中修改dts文件，并用dtc工具生成devicetree.dtb，拷贝到fat32分区
7. 将linaro文件系统拷贝到ext4分区

可以使用我生成的镜像做测试， https://pan.baidu.com/s/1p2Pgu_YF-vdSDqxUYbxOcQ ，提取码：xtjq

环境

ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit (xc7z020clg484-1)
BanQ-A1 32G TF存储卡 + SanDisk microSD Adapter + 川宇USB3.0高速读卡器
Xilinx Vivado 2017.1
Xilinx SDK 2017.1
VMWare 12.5.2 build-4638234 + Ubuntu 14.04
交叉编译工具链使用arm-xilinx-linux-gnueabi-
putty_V0.63.0.0.43510830

一、SD卡分区

Xilinx推荐SD卡至少大于4GB，speed-grade为6或者更高，在Linux下操作，分区软件使用GParted。

1. sudo apt-get install GParted ，安装 gparted分区工具，
2. 插入SD卡，在VMWare中点击“虚拟机 -> 可移动设备 -> Prolific USB SD Card Reader -> 连接 ”，让ubuntu识别到SD卡，
3. sudo gparted，运行GParted，
4. 工具栏选择/dev/sdb，先umount已有分区，再Delete掉，为格式化做准备，

5. 新建分区，第一个分区至少60MB，格式化为fat32文件系统，Free space preceding需要设置为4MB，Label为BOOT，

   
   
6. 新建分区，第二个分区用完剩余空间，格式化为ext4文件系统，Label为rootfs。
7. 在工具栏点击绿色的勾“Apply All Opertaions”，进行格式化。
   
   以上操作请参考ug1144-petalinux-tools-reference-guide，configuring SD Card ext filesystem Boot
   以上操作都是在Ubuntu中进行，也可以在Windows下对SD卡进行分区，具体步骤见在Windows下对ZedBoard SD卡进行分区。

二、新建Vivado工程并生成Bit文件

1. 打开Vivado2017.1，Create Project，RTL Project，Board:ZedBoard Zynq Evaluation and Development Kit，Finish
2. 左侧Project Manager -> IP Integrator -> Create Block Design , 在Diagram视图中Add Ip -> ZYNQ7 Processing System，并点击上方的Run Block Automation，Vivado会按照内置的ZedBoard电路自动生成部分连接，包括DDR等,

3. 我只生成最简化的FPGA工程，所以打算去掉图中标红的部分的配置，双击Zynq IP，在弹出的窗口中依次去掉M AXI GP0 Interface、Timer 0、FCLK_CLK0的勾就可以，

   
   

4. 特别注意，修改SD卡IO的Speed，从默认的fast->slow。并修改SDIO的Requested Frequency为25MHz(默认是50MHz)。这样可以适配更多种类的SD卡，以免部分品牌SD卡出现启动失败的情况，

   
   

5. 此时Diagram如下图，通过Create HDL Wrapper自动生成顶层文件，再点击Generate BitStream，

   
   
6. 等待几分钟，在...\zed_helloworld\zed_helloworld.runs\impl_1路径下生成bit文件。

三、在SDK中编译出fsbl.el

1. 在上一步的Vivado工程中，File -> Export -> Export Hardware，勾选include bitstream，确认后会在vivado根目录下生成zed_helloworld.sdk文件夹及Zed_HelloWorld_wrapper.hdf文件，这就是bit对应的硬件描述文件，用以配置fsbl，
2. File -> Launch SDK，在SDK中File -> New -> Application Project，在弹出的窗口中输入Project Name为zedhello_fsb，其它选项默认，点击Next，
3. 在Templates中选择Zynq FSBL，点击Finish，
4. SDK会自动编译出zedhello_fsbl.elf，默认在zed_helloworld.sdk/zedhello_fsbl/Debug路径下。

四、在虚拟机中编译出u-boot.elf，并在SDK中生成BOOT.BIN

1. 从GitHub上下载Xilinx发布的u-boot源码，网址为https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx，建议直接从releases中下载，xilinx一般一季度更新一次，此处选择当前交叉编译工具（arm-xilinx-linux-gnueabi-）支持的较新的u-boot-xlnx-xilinx-v2016.4.tar版本，
2. 在虚拟机中通过tar -xvf u-boot-xlnx-xilinx-v2016.4.tar解压，
3. 进入u-boot，打开include/configs/zynq-common.h，将sdboot的参数修改如下：

   "sdboot=if mmcinfo; then " \
            "run uenvboot; " \
            "echo Copying Linux from SD to RAM... && " \
            "load mmc 0 ${kernel_load_address} ${kernel_image} && " \
            "load mmc 0 ${devicetree_load_address} ${devicetree_image} && " \
            "bootm ${kernel_load_address} - ${devicetree_load_address}; " \
        "fi\0" \

4. 设置交叉编译工具链为arm-xilinx-linux-gnueabi-，在终端中，依次执行如下两条指令

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- zynq_zed_config
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi-

5. 在根目录下生成u-boot，即为镜像。通过mv u-boot u-boot.elf重命名为elf格式。

6. 将前两步生成的zedhello_fsbl.elf、Zed_HelloWorld_wrapper.bit、u-boot.elf放到同一个路径下，在SDK中Xilinx Tools -> Create Boot Image

   
   
7. 如上图配置，一次Add三个文件，其中zedhello_fsbl.elf为bootloader，另两个为datafile，点击Create Image，在同一路径下生成BOOT.BIN。

五、编译xilinx-linux源码，生成uImage

1. 从GitHub上下载Xilinx发布的linux源码，网址为https://github.com/Xilinx/linux-xlnx，从releases中下载，xilinx一般一季度更新一次，此处选择当前交叉编译工具（arm-xilinx-linux-gnueabi-）支持的较新的xilinx-v2016.4.tar.gz版本，
2. 在虚拟机中通过tar -xvzf u-boot-xlnx-xilinx-v2016.4.tar解压，
3. 打开终端，进入解压出的目录，依次执行如下两条指令，

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- xilinx_zynq_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- uImage LOADADDR=0x00008000

4. 等待时间较长，生成的uImage在arch/arm/boot目录下。

六、生成devicetree.dtb

设备树devicetree是内核启动必须的，u-boot在跳到内核入口前会把这一块数据复制到DDR的已知地址。

1. 使用gedit打开arch/arm/boot/dts/zynq-zed.dts文件,
2. 将第15行#include "zynq-7000.dtsi"修改为 /include/ "zynq-7000.dtsi"
3. 在第34行添加bootargs参数
   bootargs = "console=ttyPS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw earlyprintk rootfstype=ext4 rootwait devtmpfs.mount=0";
4. 使用dtc工具将dts编译生成devicetree.dtb文件
   ./scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o devicetree.dtb ./arch/arm/boot/dts/zynq-zed.dts
5. 将前几步生成的Boot.bin，uImage，devicetree.dtb拷贝到SD卡Fat32分区中

七、将Linaro根文件系统拷贝到SD卡ext4分区

1. 从Linaro官网http://release.linaro.org下载ubuntu版本，我选择的是archive->12.11-> ubuntu -> precise-images -> ubuntu-desktop -> linaro-precise-ubuntu-desktop-20121124-560.tar.gz，
2. 将SD卡连接上虚拟机，识别出ext4分区，其地址为/media/username/rootfs，
3. 通过以下命令，将linaro系统直接解压进SD卡的ext4分区，因为Linaro系统较大，这一步一定使用高速读卡器和较好的SD卡，否则等待时间会非常非常长，而且容易出问题。
   sudo tar --strip-components=3 -C /media/username/rootfs -xzpf linaro-o-ubuntu-desktop-tar-20111219-0.tar.gz binary/boot/filesystem.dir

八、通过SD卡启动ZedBoard

1. 将ZedBoard启动选择处跳帽设置如下图，配置为SD卡启动，并在卡槽中插入SD卡，

   
   
2. 连接串口线，在电脑上打开Putty，设置对应串口，Speed为115200，Open，

3. ZedBoard供电，Zynq会自动从SD卡读取各系统镜像，可通过Putty观察其启动顺序，最终启动后文件系统如下图所示

   
   

遇到的问题

1. 更换USB3.0读卡器后，ubuntu提示设备“Prolific USB SD Card Reader”无法连接到理想的主机控制器。
   解决办法：关闭ubuntu，在虚拟机设置 -> USB控制器 -> USB兼容性 中选择 USB3.0，重启虚拟机，问题解决。

   
   

2. u-boot编译报错，In file included from tools/aisimage.c:10:0: include/image.h:949:27:fatal error: openssl/evp.h: No such file or directory # include <openssl/evp.h>
   原因：缺库文件
   解决办法：sudo apt-get install libssl-dev

3. dts编译报错，Error: ./arch/arm/boot/dts/zynq-zed.dts:15.1-9 syntax error FATAL ERROR: Unable to parse input tree
   原因：第15行语法错误
   解决办法：将第15行#include "zynq-7000.dtsi"修改为 /include/ "zynq-7000.dtsi"

4. Boot.bin不启动，不知道死在了哪一步
   思路：fsbl是第一个启动的个性文件，默认fsbl是关闭了调试信息的，应该打开FSBL调试信息，再观察具体在哪里出的错
   解决办法：在SDK，fsbl工程的Properties，C/C++ Build -> Settings -> ARM v7 gcc compiler -> Symbols，添加“FSBL_DEBUG_INFO”，如下图所示。
   

   
   重新编译fsbl，并生成boot.bin文件，copy到SD卡FAT32分区，上电，putty打印如下信息，可以明确定位到FSBL启动过程中的问题了。
   
   更多的Zynq fsbl阶段调试方法，可以参考https://www.cnblogs.com/otod3r/p/5275732.html，内含安富利工程师的邮件摘抄。

5. FSBL启动报错，SD:Unable to open file BOOT.BIN:1，SD_INIT_FAIL，FSBL Status = 0xA009
   原因：FSBL的SD驱动存在问题，对SD卡品质比较挑剔
   解决办法：修改SD卡IO的Speed，从默认的fast->slow。并修改SDIO的Requested Frequency为25MHz(默认是50MHz)。这样可以适配更多种类的SD卡，以免部分品牌SD卡出现启动失败的情况。

   
   

6. 内核启动失败，出现Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(179,2)
   思路：a、观察得知，uboot和linux能够启动，说明fat32分区OK，rootfs位于ext4分区，这里有问题。 b、通过QSPI启动ZedBoard并挂载ramdisk文件系统，直接使用zedboard_oob_design的镜像就可以。然后通过mount -t ext4 /dev/mmcblk0p2 /mnt来手动mount此分区。结果打印如下信息：

[  421.640000] EXT4-fs (mmcblk0p2): INFO: recovery required on readonly filesystem
[  421.650000] EXT4-fs (mmcblk0p2): write access unavailable, cannot proceed
mount: mounting /dev/mmcblk0p2 on /mnt failed: Invalid argument

观察这个打印信息，发现是readonly filesystem,怀疑SD卡处于只读状态。因为FAT32分区的镜像只需要读取就OK，所以不影响系统初始阶段的启动，但是到了rootfs，需要读写交换数据，系统启动就失败了。
解决办法：把SD卡只读拨片往上拨动，让SD卡处于可读可写状态，如下图所示

7. Linaor启动后，提示EXT4-fs (mmcblk0p2): mounted filesystem with ordered data mode. Opts:(null) Kernel panic - not syncing: No working init found.
   分析：用了不合适的方式，将rootfs文件系统放到了SD卡的ext4分区，会提示此问题
   解决办法：a、使用本文的解压命令，可以避免此问题
   sudo tar --strip-components=3 -C /media/username/rootfs -xzpf linaro-o-ubuntu-desktop-tar-20111219-0.tar.gz binary/boot/filesystem.dir
   b、使用xilinx官方ug1144-petalinux-tools-reference-guide推荐的方法，将rootfs.tar拷贝到SD卡中再解压