ZYNQ防火墙开发2-FSBL u-boot kernel rootfs PetaLinux

EBAZ4205概述

声明：初级学员对此课程不要有太多压力，虽然此课程基于真实且复杂的项目，但我们在真正开发产品中很多都可以基于已有的模块实现。并不是所有都需要自己开发。当然有些细节我们自己操作一遍也可以增加理解。

loading-ag-498

zynq启动流程

xilinx zynq 7000系列的芯片中包括两个部分，PS和PL，也就是FPGA的逻辑编程的部分跟嵌入式ARM的部分，ARM部分是双核的A9处理器。关于FPGA的部分在这里就不说了。其实说的简单点，可以吧这个芯片看成一个带有FPGA外设的ARM处理器，下面详细分析一下启动流程。

..xxxx.sdk\standalone_bsp_0\ps7_cortexa9_0\libsrc\standalone_v5_1\src\asm_vectors.S中的开头也就是0地址的地方有这样得一段代码：

.section .vectors
_vector_table:
    B    _boot
    B    Undefined
    B    SVCHandler
    B    PrefetchAbortHandler
    B    DataAbortHandler
    NOP    /* Placeholder for address exception vector*/
    B    IRQHandler
    B    FIQHandler

boot.S

_boot:

    b    _start                /* jump to C startup code */
    and    r0, r0, r0            /* no op */

xil-crt0.S

_start:

    /* Let her rip */
    bl    main

main.c

int main(void)
{
    /*
     * PCW initialization for MIO,PLL,CLK and DDR
     */
    Status = ps7_init();
    /*
     * PCAP initialization
     */
    Status = InitPcap();
    /*
     * Initialize the Watchdog Timer so that it is ready to use
     */
    Status = InitWatchDog();
    /*
     * Read bootmode register
     */
    BootModeRegister = Xil_In32(BOOT_MODE_REG);
    BootModeRegister &= BOOT_MODES_MASK;

    if (BootModeRegister == NAND_FLASH_MODE) {
    }else 
    if (BootModeRegister == NOR_FLASH_MODE) {
    }else
       if (BootModeRegister == SD_MODE) {
    }else
    if (BootModeRegister == JTAG_MODE) {
    }

    /*
     * Load boot image
     */
    HandoffAddress = LoadBootImage();
}

image_mover.c

u32 PartitionMove(u32 ImageBaseAddress, PartHeader *Header)
{

    /*
     * 完成了PL的加载
     * Load Bitstream partition in to fabric only
     * if checksum and authentication bits are not set
     */
    Status = PcapLoadPartition((u32*)SourceAddr,
                    (u32*)Header->LoadAddr,
                    Header->ImageWordLen,
                    Header->DataWordLen,
                    EncryptedPartitionFlag);
}

FSBL介绍

FSBL的作用

FSBL是ZYNQ 7000启动过程中的第一阶段，其主要作用是初始化硬件资源、加载FPGA bit文件、配置DDR等。在FSBL执行完毕后，系统会进入第二阶段——uboot。

FSBL的代码结构

fsbl.h：定义了FSBL的全局变量和函数原型。
fsbl_config.h：定义了FSBL的配置信息，如DDR的大小和地址、FPGA bit文件的地址等。
fsbl_hooks.c：定义了FSBL的钩子函数，如FSBL的初始化函数、DDR的初始化函数等。
fsbl_main.c：FSBL的主函数，包含了FSBL的启动过程。

FSBL的启动过程

FSBL的启动过程主要包括以下几个步骤：

初始化硬件资源：包括初始化PS和PL的时钟、GPIO、UART等。
加载FPGA bit文件：从SD卡或QSPI Flash中读取FPGA bit文件，并将其加载到PL中。
配置DDR：初始化DDR控制器，并配置DDR的大小和地址。
初始化FSBL的全局变量：包括FSBL的启动模式、DDR的大小和地址、FPGA bit文件的地址等。
执行FSBL的钩子函数：包括FSBL的初始化函数、DDR的初始化函数等。
跳转到uboot：将控制权转交给uboot，进入第二阶段的启动过程。

FSBL的钩子函数

FSBL的钩子函数包括：

FSBL的初始化函数：初始化FSBL的全局变量。
DDR的初始化函数：初始化DDR控制器，并配置DDR的大小和地址。
FSBL的打印函数：用于在启动过程中输出调试信息。

FSBL的生成方式

vitis工具生成，New project选择Zynq FSBL模板生成fsbl.elf。
petalinux命令行生成。

BOOT.bin

BOOT.bin包含：

fsbl.elf文件

vivado生成的fpga的bit文件

app工程的elf文件（这里为led工程的elf）

linux BOOT.bin包含：

fsbl.elf文件

vivado生成的fpga的bit文件

u-boot.elf文件

system.dtb设备树文件

注：SD模式 linux的内核镜像、文件系统在BOOT.bin之外。

在boot.bin中从地址0-0x8BF可以分成17个部分，每个部分都有一定的含义：

对应的FSBL.h文件中的宏定义：

/* Boot ROM Image defines */
#define IMAGE_WIDTH_CHECK_OFFSET        (0x020) /**< 0xaa995566 Width Detection word */
#define IMAGE_IDENT_OFFSET              (0x024) /**< 0x584C4E58 "XLNX" */
#define IMAGE_ENC_FLAG_OFFSET           (0x028) /**< 0xA5C3C5A3 */
#define IMAGE_USR_DEF_OFFSET            (0x02C) /**< undefined  could be used as  */
#define IMAGE_SOURCE_ADDR_OFFSET        (0x030) /**< start address of image  */
#define IMAGE_BYTE_LEN_OFFSET           (0x034) /**< length of image> in bytes  */
#define IMAGE_DEST_ADDR_OFFSET          (0x038) /**< destination address in OCM */
#define IMAGE_EXECUTE_ADDR_OFFSET       (0x03c) /**< address to start executing at */
#define IMAGE_TOT_BYTE_LEN_OFFSET       (0x040) /**< total length of image in bytes */
#define IMAGE_QSPI_CFG_WORD_OFFSET      (0x044) /**< QSPI configuration data */
#define IMAGE_CHECKSUM_OFFSET           (0x048) /**< Header Checksum offset */
#define IMAGE_IDENT                     (0x584C4E58) /**< XLNX pattern */

准备开发环境

参考：

ug1144-petalinux-tools-reference-guide.pdf
[petalinux 2017.2安装指南]

#ubuntu server缺少库，最好直接用ubuntu 16.04 desktop
#安装ssh和samba 方便操作
sudo apt-get install openssh-server
sudo service ssh start
sudo apt-get install u-boot-tools
sudo apt install samba
sudo smbpasswd -a username

#cat /etc/samba/smb.conf
[workspace]
   comment = share folder
   path = /home/dnsnat
   valid users = dnsnat
   force user = dnsnat
   available = yes
   browseable = yes
   public = no
   writable = yes

PetaLinux 2017.2

#Firstly we need enable i386 architecture (if running Ubuntu x64):
sudo dpkg --add-architecture i386

#• PetaLinux Tools Installation Requirements is completed. Refer to the Installation  Requirements section. 
sudo apt-get install tofrodos  iproute2 gawk
sudo apt-get install gcc git make
sudo apt-get install xvfb
sudo apt-get install net-tools  libncurses5-dev  tftpd
sudo apt-get install zlib1g-dev zlib1g-dev:i386 libssl-dev  flex bison libselinux1
sudo apt-get install gnupg wget diffstat chrpath socat xterm
sudo apt-get install autoconf libtool tar unzip texinfo zlib1g-dev gcc-multilib build-essential libsdl1.2-dev libglib2.0-dev
sudo apt-get install screen pax gzip tar

#• PetaLinux release package is downloaded. You can download PetaLinux installer from  PetaLinux Downloads.
#https://www.xilinx.com/support/download/index.html/content/xilinx/en/downloadNav/embedded-design-tools.html
#Choose “PetaLinux 2017.2 Installer”. It is a single-file executable that is 7.54GB large

#直接在home目录下建
mkdir -p opt/pkg/petalinux1702
#千万不要使用root或者sudo
./petalinux-v2017.2-final-installer.run /home/dnsnat/opt/pkg/petalinux1702

#创建环境变量
#自己以普通用户模式下
vi ~/.bashrc
#在末尾添加：
source  /home/dnsnat/opt/pkg/petalinux1702/settings.sh
#加载生效
source ~/.bashrc

mkdir EBAZ4205
#sync -azP system_wrapper.hdf 192.168.122.197:/home/dnsnat/EBAZ4205
cd EBAZ4205
petalinux-create -t project --template zynq -n project
cd project
petalinux-config --get-hw-description ../

配置参考正点原子文档

1 2	`petalinux-config -c kernel petalinux-config -c rootfs`

1 2	`petalinux-build petalinux-package --boot --format BIN --fsbl ./images/linux/zynq_fsbl.elf --fpga system_wrapper.bit --u-boot --force`

备份原始系统

1、链接调试串口，上电查看启动信息，记录分区情况

上电后，串口会打印启动信息，其中可以看到如下相关信息：

Creating 9 MTD partitions on "pl35x-nand":                                                                                    
0x000000000000-0x000000300000 : "nand-fsbl-uboot"                                         
0x000000300000-0x000000800000 : "nand-linux"                                             
0x000000800000-0x000000820000 : "nand-device-tree"                                       
0x000000820000-0x000001220000 : "nand-rootfs"                                             
0x000001220000-0x000002220000 : "nand-jffs2"                                             
0x000002220000-0x000002a20000 : "nand-bitstream"                                         
0x000002a20000-0x000006a20000 : "nand-allrootfs"                                         
0x000006a20000-0x000007e00000 : "nand-release"                                           
0x000007e00000-0x000008000000 : "nand-reserve"

这就是nand分区结构，下面就开始对这些分区进行备份，以防不时之需。

2、重新启动，按‘d’进入U-BOOT

1 2	`Hit 'd' to stop autoboot(eric): 0 zynq-uboot>`

3、修改网络配置

1 2	`setenv serverip 192.168.200.1 setenv ipaddr 192.168.200.99`

1	`sudo systemctl start tftpd.service`

4、备份分区

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x000000 0x300000
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x300000 fsbl-uboot 

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x300000 0x500000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x500000 linux

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x800000 0x20000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x20000 device-tree

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x820000 0xA00000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0xA00000 rootfs

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x2220000 0x800000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x800000 bitstream

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x2a20000 0x4000000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x4000000 allrootfs

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x6a20000 0x13e0000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x13e0000 release

zynq-uboot> nand read 0x100000 0x7e00000 0x200000 
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x200000 reserve

示例

ynq-uboot> nand read 0x100000 0x000000 0x300000

NAND read: device 0 offset 0x0, size 0x300000
 3145728 bytes read: OK
zynq-uboot> md.b 100000 80                                                      
00100000: fe ff ff ea fe ff ff ea fe ff ff ea fe ff ff ea    ................   
00100010: fe ff ff ea fe ff ff ea fe ff ff ea fe ff ff ea    ................   
00100020: 66 55 99 aa 58 4e 4c 58 00 00 00 00 00 00 01 01    fU..XNLX........   
00100030: 00 17 00 00 10 80 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00    ................   
00100040: 10 80 01 00 01 00 00 00 20 45 16 fc 00 00 00 00    ........ E......   
00100050: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00    ................   
00100060: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00    ................   
00100070: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00    ................
zynq-uboot> tftpput 0x100000 0x300000 fsbl-uboot                                
Gem.e000b000:0 is connected to Gem.e000b000.  Reconnecting to Gem.e000b000      
Gem.e000b000 Waiting for PHY auto negotiation to complete..... done             
Gem.e000b000----100----4047----                                                 
Using Gem.e000b000 device                                                       
TFTP to server 192.168.0.139; our IP address is 192.168.0.99                    
Filename 'fsbl-uboot'.                                                          
Save address: 0x100000                                                          
Save size:    0x300000                                                          
Saving: ################################################################                                                     
         1.2 MiB/s                                                            
done                                                                            
Bytes transferred = 3145728 (300000 hex)                                        
zynq-uboot>

其中使用了u-boot的md命令查看了以下内存的内容，只显示了部分（0x80即128字节），再查看以下上传到服务其上的文件内容：

zhy@ubuntu:/var/tftpboot$ xxd -l 0x80 fsbl-uboot 
00000000: feff ffea feff ffea feff ffea feff ffea  ................
00000010: feff ffea feff ffea feff ffea feff ffea  ................
00000020: 6655 99aa 584e 4c58 0000 0000 0000 0101  fU..XNLX........
00000030: 0017 0000 1080 0100 0000 0000 0000 0000  ................
00000040: 1080 0100 0100 0000 2045 16fc 0000 0000  ........ E......
00000050: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
00000060: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
00000070: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  ................
zhy@ubuntu:/var/tftpboot$

修改原始系统

1、挂载文件系统，将备份好的文件系统allrootfs。

参考《已有 JFFs2文件系统的修改》先安装mtd工具，然后进行如下操作即可

sudo pacman -S mtd-utils
sudo modprobe -v mtd
sudo modprobe -v jffs2
sudo modprobe -v mtdram total_size=100100 erase_size=128 (单位:K)
#查看空间大小
sudo fdisk /dev/mtdblock0 -l
sudo modprobe -v mtdblock
sudo flash_eraseall /dev/mtd0
#用dd命令将allrootfs装入mtd0分区：
sudo dd if=allrootfs of=/dev/mtd0

zhy@ubuntu:/var/tftpboot$ sudo mkdir fsmount
zhy@ubuntu:/var/tftpboot$ sudo mount -t jffs2 /dev/mtdblock0 fsmount
zhy@ubuntu:/var/tftpboot$ cd fsmount/
zhy@ubuntu:/var/tftpboot/fsmount$ ls
bin   dev  home  lib    mnt  proc  sbin  tmp  var
boot  etc  init  media  opt  run   sys   usr

2、清除root用户密码

将etc/passwd改为

1	`root::0:0:root:/home/root:/bin/sh`

将自动挖矿的程序停止。将etc/rcS.d/S95cgminer.sh下的shell脚本移动到其它目录或直接删除即可

1	`zhy@ubuntu:/var/tftpboot/fsmount$ sudo mv etc/rcS.d/S95cgminer.sh home/root/`

3、重新生成jffs2文件系统

1 2	`zhy@ubuntu:/var/tftpboot/fsmount$ cd .. zhy@ubuntu:/var/tftpboot$ mkfs.jffs2 -r fsmount -o allrootfs.new -e 0x20000 –pad=0x4000000 -n -l`

4、把改好的文件系统烧回nand对应分区

1
2
3

zynq-uboot> tftpboot 0x100000 allrootfs.new 
zynq-uboot> nand erase 0x2a20000 0x4000000 
zynq-uboot> nand write 0x100000 0x2a20000 0x4000000

uboot引导流程

bootcmd=run $modeboot 
modeboot=nandboot 

preboot=
if test $modeboot = sdboot && env run sd_uEnvtxt_existence_test; then 
    if env run loadbootenv; then 
        env run importbootenv; 
    fi;
fi; 

importbootenv=echo Importing environment from SD ...; env import -t ${loadbootenv_addr} $filesize
loadbootenv=load mmc 0 ${loadbootenv_addr} ${bootenv}
loadbootenv_addr=0x2000000

devicetree_load_address=0x2000000 
devicetree_size=0x20000 
kernel_image=uImage                                                                       
kernel_load_address=0x2080000 
kernel_size=0x500000

nandboot=echo Copying Linux from NAND flash to RAM... && nand info && run nandroot;nand read 0x100000 0x2220000 0x300000 && fpga loadb 0 0x100000 0x300000 && nand read ${kernel_load_address} 0x300000 ${kernel_size} && nand read ${devicetree_load_address} 0x800000 ${devicetree_size} && bootm ${kernel_load_address} - ${devicetree_load_address}

如果是sd卡可以通过

编译uboot

下载 xilinx uboot https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx/archive/refs/tags/xilinx-v2018.3.zip

参考zynq_zc702_defconfig 添加 zynq_ebaz4205_defconfig

cp configs/zynq_zc702_defconfig  configs/zynq_ebaz4205_defconfig
gedit zynq_ebaz4205_defconfig

删除：
CONFIG_ENV_IS_IN_SPI_FLASH=y.

修改：
CONFIG_SYS_CONFIG_NAME="zynq_ebaz4205"
CONFIG_IDENT_STRING=" Xilinx Zynq EBAZ4205"
CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE="zynq-ebaz4205"
CONFIG_DEBUG_UART_BASE=0xe0001000 

增加：
CONFIG_NAND=y
CONFIG_NAND_ZYNQ=y
CONFIG_BOOTDELAY=3

CONFIG_DEBUG_UART_BASE=0xe0001000
说明使用uart1（个人猜测fsbl对fpga配置完成后，uart1 ip就连上了特定的mio/emio，只要告诉uboot，使用uart1的地址而不是uart0）

增加头文件

1	`cp include/configs/zynq_zc70x.h include/configs/zynq_ebaz4205.h`

增加： #define CONFIG_CPU_FREQ_HZ 666666667

gedit arch/arm/mach-zynq/Kconfig 改动点如下：

1
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3

config SYS_CONFIG_NAME
   string "Board configuration name"
   default "zynq_ebaz4205"

把之前.bit和.elf文件复制到当前目录，名字改为top_pl.bit fsbl.bit。然后执行：

1
2
3

# 设置petalinux编译器环境变量
source ../petalinux-v2018.3/settings.sh
./run.sh

产生BOOT.bin和devicetree.dtb

编译kernel

下载 xilinx linux内核 https://github.com/Xilinx/linux-xlnx/archive/refs/tags/xilinx-v2018.3.zip

进入linux-xlnx-xilinx-v2018.3目录直接编译zynq Linux内核

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xilinx_zynq_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8
cp ./arch/arm/zImage ./
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- UIMAGE_LOADADDR=0x8000 uImage
cp ./arch/arm/uImage ./

产生./arch/arm/zImage

1	`rsync -azP ./arch/arm/boot/zImage 192.168.122.1:/home/dnsnat/workspace/share/`

开发板上启动测试kernel

nand info && run nandroot;nand read 0x100000 0x2220000 0x300000 && fpga loadb 0 0x100000 0x300000 && tftpboot ${kernel_load_address} uImage   && nand read ${devicetree_load_address} 0x800000 ${devicetree_size} && bootm ${kernel_load_address} - ${devicetree_load_address}

查看内核版本

1 2	`root@zedboard-zynq7:~# uname -a Linux zedboard-zynq7 4.14.0-xilinx #1 SMP PREEMPT Sat Mar 23 14:47:53 CST 2024 armv7l GNU/Linux`

准备文件系统

进入Linux后会报根文件系统挂载错误。可以直接使用的根文件系统：linaro-precise-ubuntu-desktop-20120723-305.tar.gz(https://releases.linaro.org/archive/12.07/ubuntu/precise-images/ubuntu-desktop/)

建议在命令行解压到SD卡ext4分区：

1	`sudo tar --strip-components=3 -C /media/xxx/rootfs -xzpf linaro-precise-ubuntu-desktop-20120723-305.tar.gz binary/boot/filesystem.dir`

vi /etc/apt/sources.list
# 源改为以下内容
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise main universe
deb-src http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise main universe
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise-security main universe
deb-src http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise-security main universe
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise-updates main universe
deb-src http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-old-releases/ubuntu/ precise-updates main universe
# 安装sshd
apt-get update
apt-get openssh-server

EBAZ4205矿板petalinux开发 LINUX工程

https://blog.csdn.net/qq_36322990/article/details/107845484

zynq-7000系列板卡

https://www.fpgadeveloper.com/list-of-zynq-7000-dev-boards/

Xilinx之FPGA器件系列简介

https://zhuanlan.zhihu.com/p/622334501?utm_id=0

boot.scr、script.bin文件介绍

https://blog.csdn.net/qq_28877125/article/details/124724089

EBAZ4205 ZYNQ 7Z010原始LINUX系统的修改与使用

https://blog.csdn.net/zhys2007/article/details/106175366/

the PetaLinux Tools Documentation: Reference Guide (UG1144)

Zynq-7000 SoC Technical Reference Manual (UG585)