如何将PetaLinux移植到Xilinx FPGA上

测试运行在设备上的PetaLinux

下面介绍PetaLinux的引导方式。MicroBlaze处理器可处理驻留在Block RAM中的代码。第一阶段的引导载入程序（fs-boot）将初始化基本硬件、执行fs-boot.elf、搜索通用引导载入程序或U-Boot、在闪存分区中进行寻址（因为U-Boot的地址已在配置fs-boot时设定）。随后，fs-boot将从闪存中的U-Boot分区中获取U-Boot映像，将其发送到设备的DDR3存储器并运行内核。一旦构建好所有引导所需的映像后，您就可以通过JTAG、以太网或快速仿真器在硬件上测试这些映像了。QEMU是一种仿真器和虚拟机，允许您运行PetaLinux操作系统[9]。下面讨论所有这三种解决方案的引导方法。

JTAG是编程和测试FPGA设计的传统方法。为使用JTAG对FPGA进行编程，我们使用了下拉菜单“Xilinx Tool → Program the FPGA”并下载了之前生成的download.bit文件。随后我们使用GUI（PetaLinux SDK → BOOT JTAG [Li-nux]）将映像下载到了电路板上，如图2所示。您也可以在Linux终端上使用下列命令：

$ cd/opt/PetaLinux _v12.12/software/ PetaLinux-dist

$  PetaLinux-jtag-boot -i  images/image.elf

此外，您还可使用U-Boot执行间接内核引导，从而引导PetaLinux。系统首先使用GUI（PetaLinux SDK → BOOT JTAG [U-Boot]）或以下命令通过JTAG接口下载U-Boot来进行引导。

$ cd $PETALINUX/software/ PetaLinux-dist

$  PetaLinux-jtag-boot -i images/u -boot.elf

图6是U-Boot控制台的快照。

值得注意的是，FPGA电路板连接的是以太网接口。您必须在XPS的硬件资源部分选择以太网接口。一旦U-Boot引导成功，就要检查服务器和主机的IP地址是否相同。如果IP地址不同，请在U-Boot终端上使用下列命令设置主机IP。

u-boot>print serverip // prints 192.168.25.45(server ip)
u-boot>print ipaddr // prints IP address
of the board as // 192.168.25.68
u-boot>set serverip <HOST IP> // Host IP 192.168.25.68
u-boot>set serverip 192.168.25.68192.168.25.68

现在服务器（PC）和主机（KC705电路板）具有相同的IP地址。请通过服务器运行网络引导命令，下载PetaLinux映像和引导程序：

u-boot> run netboot

运行网络引导命令后，您应该能够看到PetaLinux控制台，如图5所示。

最后您可使用GUI（PetaLinux SDK → BOOT QEMU [Linux]）或以下命令执行内核引导，这也很重要。

$ cd $ PETALINUX/software/ PetaLinux-dist $ PetaLinux-qemu-boot -i images/image.elf

使用这种快速方法，我们将看到图7所示信息。

测试运行在设计上的应用

完成PetaLinux引导的测试后，接下来就是测试专为PetaLinux设计的用户应用。MicroBlaze处理器将Kintex-7 FPGA电路板上的硬件外设视为一组存储寄存器。每个寄存器都有自己的基址和结束地址。要访问一个外设，用户必须知道它的基


图5：确认操作系统引导成功的PetaLinux控制台快照


图6：通过通用引导载入程序（U-Boot）进行的间接内核引导

址和结束地址。您可以在设备树源（*.dts）文件中找到有关地址的详细信息。就本设计而言，我们开发并测试了四款应用，分别是访问DDR3、使用/dev/mem访问GPIO、使用UIO访问GPIO和文件传输。

1. 访问DDR3

我们使用名为DDR3-test.c的PetaLinux应用访问DDR3存储器。该应用经过精心设计，可向DDR存储器位置写入数据并从这里读取数据。DDR3是双列直插式存储器模块，可提供用于存储用户代码和数据的SDRAM。如上文所述，用户需要知道DDR存储器的开始地址和结束地址，分别是0xC0000000和0xC7FFFFFF。存储器的容量为512兆字节。Linux内核驻留在DDR存储器的初始存储器位置。因此需要选择DDR3存储器的写入位置，以避免破坏Linux内核。我们使用以下命令向DDR3存储器写入数据：

#DDR3-test –g 0xc7000000 –o 15

其中DDR3-test是应用名称、-g是DDR3存储器的物理地址、-o是输出、15是准备在0xc7000000位置写入DDR3存储器的值。为测试该值是否能写入预计的位置，我们使用以下命令从DDR3存储器读取数据：

#DDR3-test –g 0xc7000000 –i


图7：通过QEMU运行PetaLinux

该应用旨在控制8位离散输出，可通过将板载LED连接至GPIO进行测试。

值15显示在终端上，这说明DDR3存储器读写操作正在成功进行。

2. 使用/dev/mem访问GPIO

对于接下来的应用测试，我们使用名为gpio-dev-mem-test.c的PetaLinux应用访问了通用I/O（GPIO）。该应用的设计目的是控制8位离散输出并通过将板载LED连接至GPIO来测试该输出。要从用户空间访问任何设备，就要先打开/dev/mem，然后使用mmap()将设备映射至存储器。我们所使用LED GPIO的开始地址和结束地址分别是0x40000000 和0x4fffffff。

GPIO外设具有两个寄存器：数据寄存器（GPIO_DATA）和方向寄存器（GPIO_TRI_OFFSET）。为了读取GPIO的状态，我们将方向位设置为1（即GPIO_TRI_OFFSET=1）并且从数据寄存器读取数据。为了将数据写入到GPIO，我们设置方向位为0并写入值到数据寄存器。在PetaLinux终端上使用下列命令将数据写入到GPIO：

#gpio-dev-mem-test –g 0x40000000 –o 255

其中gpio-dev-mem-test为应用名称，-g为GPIO物理地址，-o为输出，255为从GPIO（连接到LED）发送的值。LED按编写的程序点亮时，测试的结果就得到了验证。

3. 使用UIO访问GPIO

访问GPIO的另一个途径是通过用户空间输入/输出。我们通过UIO，使用名为gpio-uio-test.c的PetaLinux应用访问了GPIO。该应用旨在控制8位离散输出，可通过将板载LED连接至GPIO进行测试。UIO设备在文件系统中表现为/dev/uioX。为通过UIO访问GPIO，我们打开了/dev/uioX或sys/class/ui0，然后使用了mmap()调用。我们配置了内核使之支持UIO，并在内核中启用了UIO框架。随后我们使用名为“Compatibility”的参数，根据UIO设备（而非标准GPIO设备）对LED的GPIO控制方式进行了设置。此外，我们还将

设备的标签从 gpio@40000000修改成了leds@40000000。

然后我们重新构建了PetaLinux，并使用UIO测试了GPIO访问。我们使用以下命令，获得了所加载UIO模块的详细信息：

# ls /sys/class/uio/ uio0 uio1 uio2

UIO的名称和地址可在/sys/class/uio/uioX下找到。我们使用以下命令通过UIO驱动程序访问了GPIO LED：

#    cd “/sys/class/uio/uioX

#    gpio-uio-test -d /dev/uio1 -o 255

其中gpio-uio-test为应用名称、-d为设备路径、-o为输出、255为通过UIO传递给GPIO的值。使用以上命令，LED按写入到GPIO线路上的数据点亮，验证了该结果。

4. 文件传输应用

最后一项测试，我们将文件从服务器传输到了客户端，这里的服务器是主机PC，客户端是KC705电路板。在这项测试中，我们使用以太网线缆连接服务器和客户端，并使用了小型文件传输协议（TFTP）。这种协议因简单而出名，通常用于自动传输配置文件或引导文件。为测试使用TFTP从服务器向客户端传输文件的情况，我们在/tftpboot位置为服务器PC创建了一个名为test的文件。我们使用以下命令在文件中写入了“世界，你好”并查看了该文件中的内容（如图8所示）：

@    echo “Hello World” > /tftpboot/test

@    more /tftpboot/test


图8：在服务器中创建文件的快照


图9：在客户端接收文件的快照


图10：从客户端到服务器传输文件的快照


图11：在服务器中接收文件的快照

为从服务器接收该文件，我们在以客户端方式运行在KC705电路板上的PetaLinux终端窗口中输入以下获取命令（-g）：

#    tftp -r test -g 192.168.25.68

#    ls –a

在客户端中创建了一个名为“test”的新文件（如图9所示）。我们可以使用更多内容命令查看该文件的内容，如图9所示：

同样，如果要从客户端向服务器传输文件，可先在客户端机器上创建一个名为test1的文件，其内容为“PetaLinux OS”。然后在运行在客户端上的PetaLinux终端中使用以下“放置”命令（-p），便可将该文件从客户端传输至服务器，如图10所示：

# tftp -r test1 -p 192.168.25.68

可在服务器中创建一个空白文件test1，其内容可在文件传输工作完成后读取。该内容可图11所示方法进行验证。

在FPGA上实现嵌入式系统和运行PetaLinux，操作起来非常简单直观。接下来，我们计划使用远程编程实现设计，即引导文件通过以太网传输，客户端能够运行新应用。