Zynq MPSoC在自定义硬件平台中移植使用Xilinx Certified Ubuntu踩坑实录（以ZCU102为例）

前言

在Zynq中移植Linux一直是对于我们这种初学者来说的老大难问题，这一问题在官方推出Petalinux后有所缓解。但Petalinux OS的操作简便性不如已经十分成熟的桌面系统Ubuntu，目前网上的教程大多侧重于利用Petalinux生成完设备树和内核后替换Ubuntu的rootfs。事实上，在Vitis AI横空出世后，Xilinx给出了一个已经为Zynq MPSoc移植好的Ubuntu，并起名为Xilinx Certified Ubuntu。该版本是一个Golden镜像，可以将大多数硬件接口驱动起来。但如果想在PL端作出修改并在Linux中驱动起来，则需要自己重构设备树和Bitstream。利用Xilinx Certified Ubuntu的好处还有：

• 提供xlnx-config、fpga-manager-xlnx、bootgen-xlnx等多种工具的snap镜像，实现在linux端管理PL资源。
• 利用xlnx-config，实现各种配置好的平台资源（PAC）的切换，并自动生成Boot镜像，重启后直接生效。
• 对于因编写出错无法引导的镜像，将再重启后尝试引导失败后回滚为Golden镜像。
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本文将一步步从裸板上实现Xilinx Certified Ubuntu安装、自定义硬件平台设计、构建自定义平台资产（PAC）、硬件资产在Linux上进行切换等步骤。作为学习记录，也希望对大家有帮助。

Step1：安装并启动Xilinx Certified Ubuntu

访问Ubuntu官方网站下载固件：https://ubuntu.com/download/amd-xilinx

截止发文时，最新的固件为20.04LTS。下文将以20.04LTS为例。

将SD卡插入读卡器，将下载下来的.xz压缩包解压成img，利用镜像烧写工具将下载下来的镜像烧写到SD卡上。（推荐balenaEtcher，各操作系统通用）。

插入电源、USB-UART连接线、SD卡，有显示器和键盘啥的也可以插上。调整ZCU102上的SW6开关到下图所示（来自UG1182官方文档，尤其注意官方文档的Pins序号是[4:1]不是[1:4]…当时坑死我了调了半天）

将UART连接到电脑（前提是装好CP210X串口芯片的驱动）后可以看到端口多了4个，打开Interface 0（波特率115200，8位数据，1位停止，无校验位），打开电源，看看有没有串口信息打印出来。

一切正常的话就能看到Ubuntu系统已经引导成功了。用户名密码都是ubuntu。

下面让我们仔细分析一下启动流程，来方便我们日后用自己的硬件平台替换。

SD卡内的文件如下：

• boot.bin （板子识别和镜像选择ImgSel）
• boot 10(2,4,6)1.bin （ZCU102/104/106专用镜像）
• boot.scr.uimg （Uboot）
• image.fit
• meta-data,network-config,user-data （linux需要的数据）

Xilinx在启动时，BootROM会先检测设备模式引脚状态，SD卡启动时会搜SD卡第一个分区有无boot.bin，如果没有则在后面加数字，搜索boot1.bin,boot2.bin…一直到boot8191.bin，这种模式被称为MultiBoot。在Certified Ubuntu中，boot.bin是一个最小的应用程序（ImgSel），用于确定是在哪个板子上运行，随后把boot过程移交给更强大的FSBL执行。在本例中，ImgSel检测到了102板子，将1020写入MultiBoot寄存器，BootROM从boot1020.bin开始找，最终找到boot1021.bin(转为ZCU102设计的Golden镜像)启动。前文所说的利用xlnx-config进行镜像管理，本质上就是打包boot1020.bin并写入SD卡，在boot1020.bin失效后自动回滚会Golden镜像boot1021.bin。

具体启动参考右图（源于参考[2]）

Step2 用Vivado创建自己的硬件平台

打开Vivado，选择ZCU102板，Create Block Design.

• 添加一个Zynq核心，先Run Block Automation，弹出窗口内选择Apply Board Preset，这样后面可以少配很多东西。
• 添加一个AXI GPIO用于测试读写开发板引脚，一个AXI BRAM Controller用于BRAM测试。
• Generate Block Design -> 右键单击bd -> Create HDL Wrapper
• 写约束
• Generate Bitstream
• File -> Export Hardware 导出xsa

打开Vitis，新建一个Platform Project，选择刚刚导出的xsa。

构建该Platform Project

构建成功后，取出下列两个文件

• /zynqmp_fsbl/fsbl_a53.elf
• /zynqmp_pmufw/pmufw.elf

接着，进行设备树导出。

如果你第一次进行这个操作，需要在任意位置拉取Xilinx的Device Tree Generator，不然会报错。

git clone https://github.com/Xilinx/device-tree-xlnx
cd device-tree-xlnx
git checkout <你的套件版本，如xlnx_rel_v2021.2>

在Vitis中，选择Xilinx->Software Repositories，添加刚刚拉取的仓库本地文件夹地址

接着，选择Xilinx->Generate Device Tree，选择xsa，并配置导出文件夹。

生成的文件如图，因为XSA文件仅包含用户定义的IP和Zynq，因此要激活Ethernet网络，需要自己编写设备树，修改其中的system-top.dts来添加Ethernet的PHY（踩坑*n）同时还需要加入model和compatible字段来让Uboot/Ubuntu正确识别硬件开发板信息、加载驱动程序（再次踩坑）。（参考：https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx/blob/3113b53d8cb1913ef8162cadf45f44ebf2ed9eea/arch/arm/dts/zynqmp-zcu102-revA.dts）

/dts-v1/;
#include "zynqmp.dtsi"
#include "zynqmp-clk-ccf.dtsi"
#include "pl.dtsi"
#include "pcw.dtsi"

/ {
	model = "ZynqMP ZCU102 Rev1.1";
	compatible = "xlnx,zynqmp-zcu102-rev1.1", "xlnx,zynqmp-zcu102", "xlnx,zynqmp";
	chosen {
		bootargs = "earlycon";
		stdout-path = "serial0:115200n8";
	};
	aliases {
		ethernet0 = &gem3;
		i2c0 = &i2c0;
		i2c1 = &i2c1;
		serial0 = &uart0;
		serial1 = &uart1;
		spi0 = &qspi;
	};
	memory {
		device_type = "memory";
		reg = <0x0 0x0 0x0 0x7ff00000>, <0x00000008 0x00000000 0x0 0x80000000>;
	};
};

&gem3 {
	status = "okay";
	phy-handle = <&phy0>;
	phy-mode = "rgmii-id";
	pinctrl-names = "default";
	phy0: ethernet-phy@c {
		reg = <0xc>;
		ti,rx-internal-delay = <0x8>;
		ti,tx-internal-delay = <0xa>;
		ti,fifo-depth = <0x1>;
		ti,dp83867-rxctrl-strap-quirk;
		/* reset-gpios = <&tca6416_u97 6 GPIO_ACTIVE_LOW>; */
	};
};

接着，来编译设备树Blob文件（DTB），进入生成的设备树目录。该步骤需要在Linux系统下进行。

gcc -I my_dts -E -nostdinc -undef -D__DTS__ -x assembler-with-cpp -o system-top.dts.tmp system-top.dts

dtc -I dts -O dtb -o system-top.dtb system-top.dts.tmp

至此，在文件夹内出现设备树文件system-top.dtb，进行保存

接下来，编译ARM可信固件（ATF）

git clone https://github.com/Xilinx/arm-trusted-firmware.git
cd arm-trusted-firmware

这个存储库里面有个软连接到linux库，遇到报错要自己删了软连接重建一下，具体是哪个我忘记了。。处理完以后

make CROSS_COMPILE=aarch64-none-elf- PLAT=zynqmp RESET_TO_BL31=1

来进行交叉编译，编译好会生成bl31.elf，保存下来。

现在我们有这些文件：

把Vivado生成的PL Bitstream也保存到这里，命名为system.bit。接下来，我们新建一个文件，命名为bootgen.bif，内容如下：

the_ROM_image:
{
        [bootloader, destination_cpu=a53-0] fsbl_a53.elf
        [pmufw_image] pmufw.elf
        [destination_device=pl] system.bit
        [destination_cpu=a53-0, exception_level=el-3, trustzone] bl31.elf
        [destination_cpu=a53-0, load=0x00100000] system-top.dtb
        [destination_cpu=a53-0, exception_level=el-2] /usr/lib/u-boot/xilinx_zynqmp_virt/u-boot.elf
}

这些文件的意义，Xilinx Wiki有相应介绍。

前面讲了这么多，之后我们替换新的硬件平台的时候只要考虑system.bit、system-top.dtb、dpu.xclbin就可以了，其他的build都是一劳永逸的。

或者你是在不想build，对于fsbl、bl31，都可以使用Certified Ubuntu内的golden镜像，存储路径在：

/usr/share/xlnx-firmware/zcu10[x]

接下来，我们按照xlnx-config工具的要求将上述文件按如下存放(其中，test_pac文件夹存放在/boot/firmware/xlnx-config中。因为/boot/firmware就是SD卡的挂载点，所以也可以直接在SD卡上操作)

test_pac/
└── hwconfig
    ├── test_pac
    │   ├── manifest.yaml
    │   ├── zcu102
    │   │   ├── bl31.elf
    │   │   ├── bootgen.bif
    │   │   ├── fsbl_a53.elf
    │   │   ├── pmufw.elf
    │   │   ├── system.bit
    │   │   └── system-top.dtb

manifest.yaml内如下：

name: test_platform
desscription: Boot assets for the 2021.2 test design
revision: 1
assets:
        zcu102: zcu102

Step 3 激活自定义硬件平台（PAC）

首先需要安装Xilinx官方的工具xlnx-config（snap拉取的失败率挺高的。。）

sudo snap install xlnx-config --classic --channel=1.x
xlnx-config.sysinit

如果没有snap，要先安装snap，再执行上述操作

sudo snap install snap-store

安装完毕后，输入 xlnx-config -q 可以看见刚刚我们设置的自定义硬件平台

使用 sudo xlnx-config -a test_pac 激活我们刚刚设置的平台，工具会自动打包成boot.bin并放到SD卡命名为boot1020.bin。重启后生效。

重启后，可以通过xlnx-config -q查看激活的资产

参考

[1] Getting Started with Certified Ubuntu 20.04 LTS for Xilinx Devices

[2] Booting Certified Ubuntu 20.04 LTS for Xilinx Devices

[3] Build ARM Trusted Firmware (ATF)

[4] Snaps – xlnx-config Snap for Certified Ubuntu on Xilinx Devices

[5] Xilinx/embeddedsw

[6] Xilinx/linux-xlnx

[7] Device Trees

[8] Solution ZynqMP PL Programming

[9] Creating Devicetree from Devicetree Generator for Zynq Ultrascale and Zynq 7000

[10] Xilinx/u-boot-xlnx