拿到復(fù)旦微 FMQL45T900 核心板的第一周我基本是在查文檔、翻論壇、試錯(cuò)、再看文檔的循環(huán)里度過的。這塊板子的定位很明確國產(chǎn)化 ARMFPGA 單芯片方案PS 端雙核 Cortex-A9PL 端是大規(guī)?？删幊踢壿嫼?Xilinx Zynq-7045 屬于同一梯隊(duì)。但它畢竟不是 Zynq開發(fā)環(huán)境的搭建鏈路里藏著不少只有踩過才知道的細(xì)節(jié)。這篇文章就把我從零開始搭 ARM 開發(fā)環(huán)境、啃 BSP 配置的全過程整理出來重點(diǎn)覆蓋交叉編譯工具鏈的選擇、BSP 各組件的作用、從 BOOT.BIN 到內(nèi)核 rootfs 的完整構(gòu)建流程以及調(diào)試時(shí)最容易翻車的幾個(gè)地方。無論你是剛從 STM32 切到這種異構(gòu) SoC還是已經(jīng)在做國產(chǎn)化替代項(xiàng)目這篇都值得存一份當(dāng)參考。1. FMQL45T900到底是個(gè)什么芯片架構(gòu)與核心板選型分析1.1 PS與PL雙域架構(gòu)為什么說它是單片系統(tǒng)FMQL45T900 最核心的概念是 PSProcessing System和 PLProgrammable Logic雙域架構(gòu)。PS 端是一顆完整的雙核 ARM Cortex-A9 處理器帶 NEON 浮點(diǎn)加速、L1/L2 Cache、DDR 控制器、豐富的外設(shè)接口UART、SPI、I2C、USB、SDIO、Ethernet 等PL 端則是大規(guī)模 FPGA 邏輯資源你可以把它理解成一張可以反復(fù)重新配置電路的白紙。這兩個(gè)域不是各自獨(dú)立工作而是通過 AXI 高性能總線互聯(lián)。PS 可以把 PL 里的自定義硬件模塊映射成內(nèi)存地址直接讀寫PL 也可以主動(dòng)發(fā)起 DMA 訪問 DDR甚至給 PS 發(fā)中斷。所以這顆芯片和普通的 ARM SoC 有個(gè)本質(zhì)區(qū)別它不只是CPU 加外設(shè)而是CPU 加可重構(gòu)硬件加速器特別適合通信基帶處理、圖像采集預(yù)處理、高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制這類需要貼著硬件做定制的場景。很多從 STM32 轉(zhuǎn)過來的朋友容易有一個(gè)誤解覺得 FPGA 就是用來代替 CPU 寫邏輯的。實(shí)際上在 FMQL45T900 里L(fēng)inux 跑在 PS 端PL 更像是一塊聽話的加速電路。你寫好的 Verilog 模塊算出的結(jié)果通過 AXI 總線交給 Linux 應(yīng)用程序讀取或者反過來由應(yīng)用程序下發(fā)控制參數(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)層面它就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 ARM Linux 主機(jī)加若干自定義硬件外設(shè)。1.2 核心板起步的選型邏輯拿到手的是核心板而不是自己畫的底板這個(gè)選擇在項(xiàng)目初期非常關(guān)鍵。FMQL45T900 的 PS 端對 DDR 的布線要求很高等長、阻抗、參考電壓、電源時(shí)序任何一環(huán)出問題都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)不穩(wěn)定。核心板廠家已經(jīng)把 DDR3/DDR4 顆粒、電源管理、時(shí)鐘、啟動(dòng) Flash、千兆網(wǎng) PHY 這些難啃的骨頭全部做好了并且經(jīng)過量產(chǎn)驗(yàn)證我在底板上只需要關(guān)心怎么把擴(kuò)展引腳引出來、按什么接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)自己的外設(shè)電路。核心板通常引出的接口包括PS 端的 MIO 引腳、PL 端的 HP/HR Bank、JTAG、串口、以太網(wǎng)、USB、SD 卡接口等。我在項(xiàng)目里把 PL 端一部分引腳接到了自研的高速 ADC 子板上PS 端則通過 MIO 接了 LED、按鍵和一個(gè) RS485 收發(fā)器。這樣一來硬件設(shè)計(jì)的工作量主要集中在底板的外設(shè)電路和電源上而不用碰最復(fù)雜的 DDR 和 PL 配置。有一件事要特別提醒拿到核心板先查清楚它的啟動(dòng)模式撥碼和默認(rèn)串口映射。不同廠家的核心板對 UART0/UART1 的默認(rèn)映射可能不一樣我第一次就因?yàn)樵阱e(cuò)誤串口上干等日志浪費(fèi)了半小時(shí)。先把板子附帶的硬件手冊里關(guān)于啟動(dòng)模式、串口、JTAG 的章節(jié)讀透再上電。1.3 與Zynq-7000生態(tài)的關(guān)聯(lián)與邊界FMQL45T900 在架構(gòu)設(shè)計(jì)上參考了 Zynq-7000 系列很多基礎(chǔ)概念FSBL、U-Boot、設(shè)備樹、bootgen 生成 BOOT.BIN是相通的。這意味著網(wǎng)上大量的 Zynq 開發(fā)教程、U-Boot 編譯方法、Linux 內(nèi)核移植經(jīng)驗(yàn)大部分思路可以直接借用。尤其是 Xilinx 維護(hù)的 u-boot-xlnx、linux-xlnx 代碼倉庫在很多以 Zynq 為藍(lán)本的國產(chǎn)化 SoC 上都能編譯通過或小改即可用。但參考不等于照搬。復(fù)旦微的工具鏈和 Xilinx Vivado 并不完全一致硬件描述文件類似 XSA/HSI 的工程導(dǎo)出文件的格式、FSBL 源碼的細(xì)節(jié)、部分外設(shè)寄存器地址都可能存在差異。所以正確姿勢是用 Zynq 的資料理解框架和原理但最終一切以復(fù)旦微配套的《FMQL45T900 軟件調(diào)試手冊》和 BSP 發(fā)布包為準(zhǔn)。我自己踩過的一個(gè)典型坑是直接拿了 Zynq 的 U-Boot defconfig 去編結(jié)果串口初始化參數(shù)不對啟動(dòng)日志全亂碼。后來換了 BSP 自帶的 defconfig基本一次通過。2. 開發(fā)環(huán)境選型的現(xiàn)實(shí)考量授權(quán)工具鏈還是開源GCC2.1 三條主流環(huán)境路線的橫向?qū)Ρ却罱?ARM 開發(fā)環(huán)境的第一步不是裝軟件而是想清楚走哪條路。針對 FMQL45T900 這種 Cortex-A9 核我實(shí)際比較過三條路線各有各的適用場景。第一是 ARM 官方商業(yè)套件也就是 DS-5 配 ARM Compiler 5。這套工具鏈對 ARM 架構(gòu)的支持最深入編譯優(yōu)化也好但需要 License。網(wǎng)上很多人找arm compiler 5.06 update 7 (build 960)下載其實(shí)都是想繞過授權(quán)限制這個(gè)我不建議你折騰一方面是合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)另一方面是后續(xù)維護(hù)成本高。第二是復(fù)旦微/類似 Vivado 的圖形化 IDE 完整流程。它會(huì)幫你生成 FSBL、設(shè)備樹、啟動(dòng)鏡像比較適合 FPGA 工程師習(xí)慣的點(diǎn)按鈕式開發(fā)。但 IDE 對環(huán)境的封裝太多一旦啟動(dòng)過程出問題黑盒很難排查而且 IDE 版本和交叉編譯器版本經(jīng)常綁死升級很痛苦。第三條是純命令行路線Linaro 出品的 arm-linux-gnueabihf- 交叉編譯器加上手動(dòng)編譯 U-Boot、內(nèi)核、設(shè)備樹、根文件系統(tǒng)。整個(gè)過程全部可見、可控、可復(fù)現(xiàn)出了問題能順著 Log 一層層查這是我最推薦的做法也是這篇文章采用的方式。路線工具鏈來源優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用人群DS-5 ARM CompilerARM 商業(yè)授權(quán)架構(gòu)支持最佳、調(diào)試器強(qiáng)大License 貴、環(huán)境封閉商業(yè)項(xiàng)目正規(guī)授權(quán)用戶圖形化 IDE 全流程芯片廠商配套上手快、集成度高黑盒、排錯(cuò)難、版本綁死FPGA 背景工程師Linaro GCC 命令行開源免費(fèi)全流程可見可控、社區(qū)資料多需要 Linux 基礎(chǔ)、初期配置繁瑣想徹底搞懂 BSP 的嵌入式工程師2.2 為什么我最終選了Linaro GCC路線我選 Linaro GCC 的核心原因就一個(gè)可控性。BSP 移植這件事本身就是在跟底層打交道如果工具鏈也是黑盒出了問題根本分不清是代碼問題、編譯問題還是鏈接腳本問題。用開源工具鏈雖然初期要手敲命令但整個(gè)編譯過程每一步都清清楚楚。另外一個(gè)重要考量是社區(qū)生態(tài)。Zynq 系列在工業(yè)界用得極廣幾乎所有 BSP 相關(guān)問題都能在論壇上搜到解決方案而 Linaro GCC 就是大多數(shù) Zynq 項(xiàng)目默認(rèn)的交叉編譯工具鏈。FMQL45T900 和 Zynq 在 ARM 內(nèi)核架構(gòu)上同源所以這些經(jīng)驗(yàn)可以直接平移到復(fù)旦微平臺上。真到了出問題的時(shí)候你能搜到的資料、能請教的人都是以這套工具鏈為基礎(chǔ)的。版本選擇上建議用 GCC 7.5 或 GCC 8.x 的 linaro 版本太老的 4.9 在編譯新版內(nèi)核時(shí)會(huì)有兼容問題太新的 12.x 又可能引入額外的 ABI 差異。我最后固定在 gcc-linaro-7.5-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf 這個(gè)版本上編譯 U-Boot、內(nèi)核、Qt 5.5.10 應(yīng)用都表現(xiàn)穩(wěn)定。2.3 交叉編譯工具鏈的安裝與自檢安裝 Linaro GCC 的步驟其實(shí)很簡單核心是解壓、加載 PATH、驗(yàn)證三件事。我習(xí)慣把工具鏈放在 /opt 下這樣所有用戶都能使用而且目錄路徑固定后Makefile 里的 CROSS_COMPILE 變量可以一直寫絕對路徑。# 下載后解壓到 /opt包名根據(jù)實(shí)際版本調(diào)整 sudo tar -xJf gcc-linaro-7.5-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz -C /opt/ # 添加環(huán)境變量建議寫到 ~/.bashrc 末尾 export PATH/opt/gcc-linaro-7.5-2019.12-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH source ~/.bashrc # 驗(yàn)證工具鏈可用并確認(rèn)版本 arm-linux-gnueabihf-gcc -v驗(yàn)證輸出里要重點(diǎn)看三行Target 是否為 arm-linux-gnueabihf、gcc version 是否為所選版本、線程模型是否為 posix。確認(rèn)無誤后再交叉編譯一個(gè)最小可執(zhí)行文件放到 ARM 板子上試運(yùn)行。cat hello.c EOF #include stdio.h int main() { printf(FMQL45T900 ARM OK\n); return 0; } EOF arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello file hellofile 命令輸出顯示 ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 就說明編譯目標(biāo)正確。把這個(gè) hello 通過 U 盤或網(wǎng)絡(luò)傳到板子上chmod x 后執(zhí)行能打印出對應(yīng)字符串就算環(huán)境通了。這一步千萬別跳過很多后續(xù) BSP 編譯的詭異錯(cuò)誤根源都是交叉編譯器本身沒裝好提前驗(yàn)證能省一整天的排查時(shí)間。3. BSP配置核心流程從交叉編譯到內(nèi)核與根文件系統(tǒng)3.1 BSP里面到底裝了什么BSPBoard Support Package這個(gè)名詞聽起來很抽象實(shí)際拆開看就是一套讓 Linux 能在特定板卡上跑起來的軟件集合。一個(gè)完整的 Zynq 類 BSP 至少包含四部分FSBLFirst Stage Boot Loader、U-Boot、Linux 內(nèi)核、設(shè)備樹再加上外圍的根文件系統(tǒng)和各種驅(qū)動(dòng)模塊。FSBL 是芯片上電后第一個(gè)由用戶控制的程序它負(fù)責(zé)最基礎(chǔ)的硬件初始化尤其是 DDR 控制器的配置和 CPU 頻率設(shè)置。這塊代碼通常由芯片廠商以源碼形式提供編譯出來是一個(gè) ELF 文件。U-Boot 是第二階段引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)加載內(nèi)核鏡像和設(shè)備樹到內(nèi)存然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核執(zhí)行。內(nèi)核就是 Linux 本身設(shè)備樹則是一份描述硬件拓?fù)涞恼f明書告訴內(nèi)核我有幾個(gè)串口、DDR 多大、PL 里掛了什么外設(shè)分別映射在哪個(gè)地址。理解這條鏈的關(guān)鍵在于每一級 bootloader 只做有限的事然后把手里的控制權(quán)交給下一級。FSBL 不需要知道 Linux 是什么只需要把 DDR 初始化好、加載 U-BootU-Boot 不需要知道怎么跑應(yīng)用只需要把內(nèi)核和設(shè)備樹按約定地址放好并跳轉(zhuǎn)。這種模塊化設(shè)計(jì)讓每一層都能獨(dú)立調(diào)試這也是為什么我建議你按順序編譯并逐個(gè)驗(yàn)證而不是一把梭。3.2 編譯U-Boot讓第一階段引導(dǎo)跑通拿到復(fù)旦微提供的 BSP 發(fā)布包之后里面通常會(huì)有 u-boot 源碼目錄。我的習(xí)慣是先看兩個(gè)文件README 和 configs/ 目錄下是否有對應(yīng)板卡的 defconfig。復(fù)旦微 BSP 里一般會(huì)帶一個(gè)類似于 fsm 或 fmql 開頭的 defconfig如果沒有就找 xilinx_zynq_virt_defconfig 作為基準(zhǔn)再手動(dòng)改。export ARCHarm export CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- make distclean make 你的板卡defconfig make -j$(nproc)編譯過程如果順利會(huì)在 u-boot 目錄下生成 u-boot.elf 和 u-boot.bin。u-boot.elf 是給 FSBL 加載用的u-boot.bin 是裸二進(jìn)制后面打包 BOOT.BIN 時(shí)通常用 .elf?？吹?U-Boot ... for FPGA 之類版本號就說明編出來了。這里有個(gè)容易忽略的細(xì)節(jié)U-Boot 的環(huán)境變量默認(rèn)是寫死在編譯配置里的比如 bootcmd、bootargs、串口波特率。如果你板子的以太網(wǎng)地址、DDR 大小和默認(rèn)值不同編譯前最好先查一下 defconfig 里的 CONFIG_BOOTCOMMAND 和 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS把默認(rèn) bootargs 里的 console 參數(shù)改成你的實(shí)際串口設(shè)備比如 consolettyPS0,115200。否則后面啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)你會(huì)遇到串口毫無輸出或者亂碼的尷尬。3.3 編譯內(nèi)核與設(shè)備樹PL側(cè)外設(shè)怎么暴露給系統(tǒng)內(nèi)核編譯比 U-Boot 稍微復(fù)雜一點(diǎn)因?yàn)槟阈枰却_定內(nèi)核版本再考慮配置裁剪。FMQL45T900 的 BSP 基于哪個(gè)內(nèi)核分支就以哪個(gè)為準(zhǔn)一般 4.19 或 5.4 比較多見。編譯前先清理掉之前的配置防止殘留的 .config 造成干擾。export ARCHarm export CROSS_COMPILEarm-linux-gnueabihf- make distclean make BSP自帶的內(nèi)核defconfig make -j$(nproc) UIMAGE_LOADADDR0x8000 uImage make -j$(nproc) dtbs編內(nèi)核的時(shí)候UIMAGE_LOADADDR0x8000 是必須的因?yàn)?ARM 內(nèi)核一般以 uImage 格式加載這個(gè)地址告訴 U-Boot 把內(nèi)核放到哪里。dtbs 會(huì)生成對應(yīng)的設(shè)備樹二進(jìn)制文件比如 zynq-fmql45t900.dtb在 arch/arm/boot/dts/ 目錄下。設(shè)備樹是 BSP 配置的核心難點(diǎn)。它本質(zhì)上是給內(nèi)核看的一張硬件清單。其中 PL 側(cè)的 IP 核比如 AXI GPIO、DMA、自研 IP地址和中斷號都是在 FPGA 工程里定義好的需要手動(dòng)在設(shè)備樹里添加節(jié)點(diǎn)。比如我在 PL 里加了一個(gè) AXI GPIO 模塊基地址是 0x40000000中斷號是 31設(shè)備樹里就要寫類似的節(jié)點(diǎn)/ { amba_pl: amba_pl { compatible simple-bus; ranges; axi_gpio_0: gpio40000000 { compatible xlnx,xps-gpio-1.00.a; reg 0x40000000 0x10000; interrupt-parent intc; interrupts 0 31 4; #gpio-cells 2; gpio-controller; }; }; };很多新手在這里卡住根本原因是沒有把 FPGA 工程里的地址分配和 dts 里的 reg 字段對應(yīng)起來。我建議你在配置設(shè)備樹之前先回頭把自己的 FPGA 工程地址映射 table 打出來逐個(gè)核對。這個(gè)核對過程雖然繁瑣但一旦對錯(cuò)一次后面 Linux 里讀外設(shè)寄存器全部會(huì)是總線錯(cuò)誤或者讀到 0xffffffff排查起來更痛苦。3.4 根文件系統(tǒng)buildroot與SD卡方案二選一內(nèi)核和設(shè)備樹編好之后還缺一個(gè)能用的根文件系統(tǒng)。這里有兩種主流方式。第一種是用 buildroot 從源碼構(gòu)建一個(gè)精簡的 rootfs完全可控、體積小適合正式產(chǎn)品。第二種是直接用現(xiàn)成的 Ubuntu/Debian rootfs 包解壓到 SD 卡省時(shí)省力適合功能驗(yàn)證和日常開發(fā)調(diào)試。Buildroot 的方式是配置、編譯、產(chǎn)物三條命令但它最大的成本在于首次編譯要下載大量源碼包而且要等很長時(shí)間。如果你只是想讓系統(tǒng)先跑起來看啟動(dòng)日志建議直接用 ubuntu-base 或 debian rootfs。# 以 ubuntu-base 為例 sudo mkdir -p /mnt/rootfs sudo tar -xJf ubuntu-base-18.04.5-base-armhf.tar.gz -C /mnt/rootfs # 用 qemu-user 進(jìn)入 rootfs 安裝必要軟件在 x86 主機(jī)上模擬 ARM sudo mount --bind /proc /mnt/rootfs/proc sudo mount --bind /sys /mnt/rootfs/sys sudo mount --bind /dev /mnt/rootfs/dev sudo mount --bind /dev/pts /mnt/rootfs/dev/pts sudo cp /etc/resolv.conf /mnt/rootfs/etc/resolv.conf sudo chroot /mnt/rootfs /bin/bash # 在 chroot 環(huán)境里安裝軟件 apt-get update apt-get install -y network-manager openssh-server vim得益于 qemu-user 的靜態(tài)模擬能力在 x86 主機(jī)上就能直接改 ARM rootfs 里的內(nèi)容非常方便。這種方式下系統(tǒng)起來之后基本就是一個(gè)完整的 Ubuntu 環(huán)境可以聯(lián)網(wǎng)裝軟件、跑服務(wù)對調(diào)試效率提升很大。當(dāng)然代價(jià)是可靠性不如 buildroot 精細(xì)打磨過的產(chǎn)物所以我的建議是驗(yàn)證階段用 Ubuntu rootfs 快速跑通產(chǎn)品化階段再切 buildroot。4. 啟動(dòng)燒寫與調(diào)試鏈路把系統(tǒng)真正跑起來的完整過程4.1 Zynq類SoC的啟動(dòng)鏈BootROM到用戶空間的每一步FMQL45T900 的啟動(dòng)流程和 Zynq 一脈相承整體分四步。芯片上電后片內(nèi) BootROM 先運(yùn)行它根據(jù)啟動(dòng)模式引腳的電平狀態(tài)決定從哪里加載 FSBL——可能是 QSPI Flash也可能是 SD 卡或者 JTAG。BootROM 把 FSBL 加載到片內(nèi) RAMOCM并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行這一步?jīng)]有串口日志輸出屬于靜默階段。FSBL 運(yùn)行后會(huì)完成 DDR 控制器的初始化這是整個(gè)啟動(dòng)鏈里最關(guān)鍵也最容易出問題的一步。DDR 沒配置好后續(xù)所有代碼都無法正常運(yùn)行。FSBL 接著把 U-Boot 從啟動(dòng)介質(zhì)加載到 DDR并引導(dǎo) U-Boot 執(zhí)行。U-Boot 啟動(dòng)后才會(huì)在串口打印出那一行行熟悉的版本信息所以如果你的串口完全沒有輸出問題大概率出在 BootROM、啟動(dòng)模式、FSBL 或 DDR 配置這幾環(huán)。再往后U-Boot 根據(jù) bootcmd 環(huán)境變量執(zhí)行啟動(dòng)命令把內(nèi)核鏡像和設(shè)備樹加載到指定內(nèi)存地址并跳轉(zhuǎn)。內(nèi)核接管之后掛載根文件系統(tǒng)然后運(yùn)行 PID 1init 或 systemd最終進(jìn)入用戶空間彈出一個(gè) root 登錄 Shell。整條鏈路每一級都有明確的輸出標(biāo)志U-Boot 版本號、內(nèi)核版本號、init 進(jìn)程啟動(dòng)日志順著這些標(biāo)志能很快定位問題出在哪一環(huán)。4.2 用bootgen拼裝BOOT.BINFSBL、bitstream、U-Boot 三樣?xùn)|西編譯好之后需要用 bootgen 工具打包成 BOOT.BIN這是 SD 卡或 QSPI 啟動(dòng)時(shí) BootROM 能直接識別的鏡像格式。bootgen 的用法是通過一個(gè) .bif 描述文件來定義打包內(nèi)容# boot.bif 內(nèi)容 the_ROM_image: { [bootloader] zynq_fsbl.elf fmql45t900.bit u-boot.elf } # 生成 BOOT.BIN bootgen -image boot.bif -o i BOOT.BIN -w on.bif 文件里的順序是有講究的bootloader 關(guān)鍵字標(biāo)記 FSBL緊接著是 PL bitstream然后是 U-Boot。BootROM 會(huì)先加載 FSBLFSBL 會(huì)把 bitstream 配置進(jìn) PL再啟動(dòng) U-Boot。如果你的 PL 邏輯需要在 Linux 起來之前就工作bitstream 必須打包在這個(gè)位置如果你希望 Linux 起來后用 fpga manager 再動(dòng)態(tài)加載 PL 邏輯也可以不在 BOOT.BIN 里放 bitstream但那樣系統(tǒng)啟動(dòng)的早期階段 PL 就是空白的。一個(gè)常見的坑是 bootgen 工具路徑不在 PATH 里或者版本和 BSP 要求不一致。建議把 bootgen 的完整路徑寫到 Makefile 或者打包腳本中并把版本信息記錄在 README 里避免換電腦之后打包出來的 BOOT.BIN 行為異常。4.3 SD卡分區(qū)與燒寫檢查SD 卡啟動(dòng)是最方便的開發(fā)方式只需要把 BOOT.BIN、內(nèi)核鏡像、設(shè)備樹、rootfs 按約定放好。SD 卡需要分兩個(gè)區(qū)第一個(gè)分區(qū)是 FAT32大小建議 500MB 左右存放 BOOT.BIN、uImage、dtb 文件第二個(gè)分區(qū)是 ext4存放 rootfs 內(nèi)容。# 假設(shè)SD卡設(shè)備是 /dev/sdb注意確認(rèn)設(shè)備名別把主機(jī)磁盤覆蓋了 sudo fdisk /dev/sdb # 刪除舊分區(qū)創(chuàng)建一個(gè) W95 FAT32 (LBA) 主分區(qū)剩余空間做 Linux 主分區(qū) sudo mkfs.vfat -F 32 /dev/sdb1 sudo mkfs.ext4 /dev/sdb2 sudo mkdir -p /mnt/boot /mnt/rootfs sudo mount /dev/sdb1 /mnt/boot sudo mount /dev/sdb2 /mnt/rootfs cp BOOT.BIN /mnt/boot/ cp uImage /mnt/boot/ cp zynq-fmql45t900.dtb /mnt/boot/ cp -ra /mnt/rootfs_orig/* /mnt/rootfs/ sync燒寫完別急著拔卡先檢查兩件事。第一FAT32 分區(qū)里的文件名是否和 U-Boot 環(huán)境變量 bootcmd 里寫的一致比如 U-Boot 里寫的是fatload mmc 0:1 0x3000000 uImage那文件名就必須叫 uImage大小寫敏感。第二rootfs 分區(qū)里關(guān)鍵目錄是否完整尤其是 /lib 和 /etc很多系統(tǒng)啟動(dòng)失敗都是因?yàn)?rootfs 解壓不完整或者動(dòng)態(tài)鏈接器缺失。4.4 串口日志解讀與NFS調(diào)試串口是嵌入式 Linux 開發(fā)的生命線。連接 FMQL45T900 的調(diào)試串口一般波特率是 1152008N1無流控。Linux 下用 minicom 或 picocom 都行我更快的是寫腳本方式sudo picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0上電瞬間就要開始觀察串口輸出。如果完全無輸出先用萬用表確認(rèn)串口電平是否正常、TX/RX 是否接反、板子是否已經(jīng)處在正確的啟動(dòng)模式。如果只有 U-Boot 輸出但內(nèi)核沒起來用 CtrlC 打斷 U-Boot手動(dòng)執(zhí)行 bootcmd 一步步看日志配合printenv檢查環(huán)境變量是否被 U-Boot 重置。如果內(nèi)核起來了但掛載不上 rootfs那要么是設(shè)備樹里 chosen 節(jié)點(diǎn)的 bootargs 沒寫對要么是 rootfs 分區(qū)有問題。調(diào)試過程中我強(qiáng)烈建議配一個(gè) TFTP/NFS 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試環(huán)境。把內(nèi)核和設(shè)備樹放到 TFTP 服務(wù)器把 rootfs 放到 NFS 導(dǎo)出目錄U-Boot 里設(shè)置 bootargs 為root/dev/nfs nfsroot192.168.1.100:/srv/nfs/rootfs ipdhcp。這樣每次編譯完內(nèi)核和 rootfs 之后不用反復(fù)拔插 SD 卡燒寫直接重啟板子從網(wǎng)絡(luò)加載就行開發(fā)效率翻倍。等全部調(diào)通之后再固化到 SD 卡或 QSPI做最終驗(yàn)證。5. 踩坑記錄與性能實(shí)測給后來者的一組關(guān)鍵參考5.1 坑一DDR初始化失敗導(dǎo)致啟動(dòng)中斷這是我遇到的第一個(gè)重大問題。板子上電后串口完全沒輸出用 JTAG 連接調(diào)試器后發(fā)現(xiàn) CPU 一直停在 FSBL 里 DDR 初始化調(diào)用處。FSBL 源碼里對 DDR 的配置是一大段寄存器序列這些參數(shù)必須和板子上實(shí)際焊接的 DDR 顆粒型號、容量、位寬嚴(yán)格匹配。排查過程是先把核心板硬件手冊里 DDR 型號和容量找出來再和 BSP 自帶的 FSBL 源碼中的配置參數(shù)對照。發(fā)現(xiàn)核心板配的是 1GB DDR3而 BSP 默認(rèn)配置只初始化了 512MB高地址訪問全部異常。解決辦法是找到 FSBL 中 DDR 配置的宏定義把地址映射和行/列/ bank 數(shù)按實(shí)際顆粒數(shù)據(jù)手冊修改同時(shí)更新設(shè)備樹里內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的reg 0x00000000 0x40000000為實(shí)際容量。這個(gè)坑的教訓(xùn)是拿到任何新板子的第一件事一定是核對內(nèi)存配置。DDR 參數(shù)沒有通用的默認(rèn)值只能以板卡手冊為準(zhǔn)。你抄別人的配置大概率會(huì)在啟動(dòng)階段栽跟頭。5.2 坑二交叉編譯器版本與內(nèi)核版本匹配問題有段時(shí)間我編譯出來的內(nèi)核一啟動(dòng)就報(bào) undefined instruction 錯(cuò)誤有時(shí)甚至編完鏡像都不能解壓。后來查內(nèi)核文檔才發(fā)現(xiàn)新版內(nèi)核4.16默認(rèn)開了CONFIG_AEABI和各種新的編譯選項(xiàng)對編譯器版本有最低要求。Linaro GCC 4.9 太老生成的代碼在某些指令序列上會(huì)和 4.19 內(nèi)核的期望不一致。解決方案就是換編譯器版本直接從 GCC 4.9 升到 7.5。換了之后重新編譯內(nèi)核問題消失。這件事給我一個(gè)啟示BSP 發(fā)布包一般會(huì)標(biāo)注推薦的工具鏈版本最好嚴(yán)格按照它來。如果不確定優(yōu)先選社區(qū)驗(yàn)證最多、資料最多的中版本編譯器不要盲目追求新版本。同時(shí)保留好編譯器的下載地址和版本號在項(xiàng)目 README 里寫清楚換電腦、換同事接手時(shí)都能快速復(fù)現(xiàn)環(huán)境。5.3 坑三PL bitstream加載與fpga managerSPL 方案里 BOOT.BIN 里已經(jīng)打包了 bitstreamFSBL 會(huì)在 U-Boot 之前配置 PL這種方案的好處是硬件邏輯在 Linux 啟動(dòng)早期就緒適合那些需要 PL 立即參與系統(tǒng)的場景。但如果你后續(xù)在 Linux 運(yùn)行過程中需要更新 PL 邏輯就得用 fpga manager 框架。用 fpga manager 動(dòng)態(tài)加載 bitstream 時(shí)需要注意 bitstream 的格式。有些廠商的 bitstream 是二進(jìn)制 .bit但內(nèi)核 fpga manager 驅(qū)動(dòng)需要的是不帶頭部信息的 .bin 文件。我在開發(fā)中先用 FPGA 工具把 .bit 轉(zhuǎn)換為 .bin再在系統(tǒng)里用fpgautil -b xxx.bin寫入 PL或者直接調(diào)用 sysfs 接口/sys/class/fpga_manager/fpga0/load。這個(gè)環(huán)節(jié)最常見的錯(cuò)誤是加載后 PL 邏輯工作不穩(wěn)定表現(xiàn)為讀到全 0 或者全 1。原因多半是 PL 的時(shí)鐘沒有正確供給或者 PL 配置時(shí) DDR 控制器仍在忙。我最終建議如果項(xiàng)目允許盡量把核心 bitstream 固化在 BOOT.BIN 里運(yùn)行時(shí)的更新需求放在 rootfs 里做全量替換減少動(dòng)態(tài)加載的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)加載功能留作后臺維護(hù)的備用通路即可。5.4 Qt for ARM Linux開發(fā)的快速路徑很多使用 FMQL45T900 的項(xiàng)目都會(huì)涉及人機(jī)界面Qt 是 ARM Linux 上的主流選擇。構(gòu)建 Qt 交叉編譯環(huán)境有兩種方式一種是用 buildroot 直接構(gòu)建帶 Qt 的 rootfs適合最終產(chǎn)品另一種是單獨(dú)交叉編譯 Qt 庫部署到目標(biāo)板適合在 x86 主機(jī)上開發(fā) Qt 應(yīng)用。Qt 5.5.10 配 arm-linux-gnueabihf 是一套驗(yàn)證過的組合。交叉編譯 Qt 前要確保工具鏈支持 ARMv7-A 和 NEON并且在 configure 時(shí)明確指定./configure -release -opensource -confirm-license \ -xplatform linux-arm-gnueabihf-g \ -prefix /opt/qt5.5.10-arm \ -no-opengl -no-gtk -nomake examples -nomake tests這里有個(gè)非常容易踩的坑Qt 的 qmake 會(huì)用到目標(biāo)板上的 sysroot也就是 ARM rootfs。如果 sysroot 路徑不對編譯出來的程序在板子上運(yùn)行時(shí)會(huì)缺少一堆動(dòng)態(tài)庫。建議先把 rootfs 完整解壓到主機(jī)某目錄編譯 Qt 和編譯應(yīng)用時(shí)都用-sysroot指定這個(gè)目錄并在鏈接時(shí)用-rpath指向 Qt 庫安裝目錄避免運(yùn)行時(shí)找不到庫。界面性能方面FMQL45T900 的 PL 端如果放了顯示控制器 IP那 Qt 可以直接走 framebuffer 插件不需要 OpenGLCPU 渲染 800x480 分辨率的界面基本流暢。如果對動(dòng)畫性能有更高要求再考慮在 PL 端接 Mali 等 GPU IP但復(fù)雜度會(huì)明顯上升。5.5 一組實(shí)測數(shù)據(jù)與后續(xù)擴(kuò)展方向經(jīng)過完整搭建和調(diào)優(yōu)后用這套方案跑通 FMQL45T900 的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用我記錄了幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)供參考項(xiàng)目結(jié)果從上電到 U-Boot 串口輸出約 2.6 秒從 U-Boot 到內(nèi)核啟動(dòng)完成約 3.2 秒內(nèi)核到 rootfs 掛載并進(jìn)入 Shell約 5.8 秒U(xiǎn)buntu rootfssystemduImage 大小4.19 內(nèi)核基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)約 5.3 MB設(shè)備樹大小約 22 KB靜態(tài)編譯的最小 hello約 780 KB啟動(dòng)后系統(tǒng)空閑內(nèi)存約 750 MB1GB DDR 配置這些數(shù)字不是最優(yōu)值但作為開發(fā)板狀態(tài)足夠用。如果你做正式產(chǎn)品建議用 buildroot 替換 Ubuntu rootfs把啟動(dòng)時(shí)間壓進(jìn) 5 秒以內(nèi)在工業(yè)場景中很常見。后續(xù)擴(kuò)展方向我自己的計(jì)劃是先在 PL 端加一個(gè) DMA 采集模塊用 Linux 里的 u-dma-buf 驅(qū)動(dòng)做零拷貝數(shù)據(jù)通路把高性能 ADC 的采集數(shù)據(jù)直接送到用戶態(tài)同時(shí)在 Linux 里添加遠(yuǎn)程升級機(jī)制通過 U-Boot 的 distro boot 特性做雙分區(qū) A/B 互備升級。這套環(huán)境跑通之后后面的擴(kuò)展基本就是在往這條穩(wěn)固的鏈路上添磚加瓦心里會(huì)有底得多。