【赛灵思中国通讯】55期：如何将PetaLinux移植到Xilinx FPGA上

用户可轻松将这款高稳健操作系统安装到目标FPGA平台上，以供嵌入式设计项目使用。

从最初不起眼的胶合逻辑开始，FPGA已经历了漫长的发展道路。当前FPGA的逻辑容量和灵活性已将其带入了嵌入式设计的中心位置。目前，在单个可编程芯片上可实现一个完整系统，这种架构有助于软硬件的协同设计，并能将软硬件应用进行集成。

这些基于FPGA的嵌入式设计种类需要稳健的操作系统。PetaLinux应运而生，已成为众多嵌入式设计人员青睐的对象。它以开源免费的方式提 供，支持包括赛灵思MicroBlaze® CPU和ARM®处理器在内的多种处理器架构。要将PetaLinux移植到特定的FPGA上，必须针对目标平台定制、配置和构建内核源代码、引导载入程 序、器件树和根文件系统。

对于PES大学和C-DOT的一个设计项目而言，我们的研发团队准备移植PetaLinux并在采用Kintex®-7 XC7K325T FPGA的赛灵思KC705评估板上运行多个PetaLinux用户应用。结果证明整个过程相当便捷。

选择PetaLinux的原因

在详细介绍具体做法之前，有必要花点时间来探讨针对基于FPGA的嵌入式系统提供的操作系统选项。PetaLinux是FPGA上最常用的操作系 统，另外还有μClinux 和Xilkernel。μClinux为Linux发行版，是一款包含小型Linux内核的移植型Linux操作系统，适用于无存储器管理单元(MMU) 的处理器[1]。μClinux配备有各种库、应用和工具链。Xilkernel就其本身而言，是一款小型、高稳健性、模块化内核，能够提供高于 μClinux 的定制性能，有助于用户通过定制内核来优化其设计尺寸与功能[2]。

同时，PetaLinux也是一款完整的Linux发行版及开发环境，适用于基于FPGA的片上系统(SoC)设计。PetaLinux包含预配置 二进制可引导映像、面向赛灵思器件的完全可定制Linux 以及配套提供的PetaLinux软件开发套件(SDK)[3]。其中SDK包括用于自动完成配置、构建和部署过程中各种复杂工作的工具和实用程序。赛灵 思提供可免费下载的PetaLinux开发包，其中包括针对各种赛灵思FGPA开发套件而设计的硬件参考项目。同时包含在内的还有适用于赛灵思FPGA的 内核配置实用程序、交叉编译器等软件工具、硬件设计创建工具以及大量其它设计辅助功能。

据报道，Xilkernel 的性能优于μClinux[4]，而PetaLinux的性能又优于Xilkernel [5]。由于这个原因，特别是由于已针对我们赛灵思目标板提供的软件包原因，我们为我们的项目选择了PetaLinux。移植PetaLinux的另一大 优势是用户可以轻松实现远程编程。这就意味着用户可使用远程接入方式，通过远程登录，采用新的配置文件(或比特流文件)加载FPGA目标板。

有两种方法可以创建用于构建PetaLinux系统的软件平台：在Linux终端上使用PetaLinux命令或通过下拉菜单使用GUI。

开始安装

下面详细介绍我们项目团队安装PetaLinux的方法。第一步，我们下载了PetaLinux软件包12.12版以及用于Kintex-7目标板 的电路板支持包(BSP)。然后运行了PetaLinux SDK安装程序，并在控制台上使用下列命令把SDK安装到了/opt/Petalinux-v12.12-final目录下：

@ cd /opt

@ cd /opt/PetaLinux -v12.12-final-full.tar.gz

@ tar zxf PetaLinux-v12.12-final-full.tar.gz

随后，我们把从赛灵思网站获得的PetaLinux SDK许可证复制并拷贝到.xilinx和.Petalogix文件夹中。接下来，我们使用下列命令获取适当设置，设置了SDK的工作环境：

@ cd /opt/PetaLinux-v12.12-final

@ source settings.sh

为验证工作环境是否设置正确，我们使用了以下命令：

@ echo $PETALINUX

如果环境设置正确，将显示PetaLinux的安装路径。在本案例中，PetaLinux的安装路径是 /opt/PetaLinux-v12.12-final。

图1：用于用户设置的Linux终端窗口截屏

接下来的工作是安装BSP，其中包含必要的设计文件、配置文件和预构建软硬件包。这些软硬件包已经通过测试，可随时下载到目标板上。另外软件包还可 用于在快速仿真器(QEMU)系统仿真环境下的引导。为了安装BSP，我们在path /opt中创建了一个名为“bsp”的文件夹，并使用下列命令复制了KC705 BSP的ZIP文件：

@ cd /opt/PetaLinux-v12.12-final-full

@ source settings.sh

@ source /opt/Xilinx/14.4/ISE _DS/settings32.sh

@ PetaLinux-install-bsp /bsp/Xilinx-KC705

-v12.12- final.bsp

构建为新平台定制的PetaLinux系统，有两种创建和配置软件平台的方法。一种方法是使用Linux终端，在PetaLinux命令对应的路径 位置使用PetaLinux命令，如图1所示。第二种方法是通过下拉菜单使用GUI，如图2所示。您可使用其中任何一种方法来选择平台，配置Linux内 核，配置用户应用和构建镜像。在操作系统安装完成后，就可使用PetaLinux控制台。而使用GUI则需要完成PetaLinux SDK插件的安装。完成该插件的安装后，就可使用PetaLinux Eclipse SDK中提供的PetaLinux GUI设置各种配置(图2)。该GUI具有各种特性，如用户应用和库开发，以及PetaLinux及硬件平台的调试、构建和配置等。

硬件构建

我们为项目使用了基于Kintex-7 FPGA的KC705评估板。设计需要的硬件接口有用于监控输出的RS232接口、用于编程FPGA的JTAG接口以及用于远程编程的以太网接口。除了 PetaLinux SDK，所推荐设计需要的其它软件还包括Xil-inx Platform Studio (XPS) [6,7] 和赛灵思软件开发套件(SDK)[7]。

图2：用于用户设置的PetaLinux SDK菜单截屏

在该嵌入式设计的硬件部分，我们的第一项任务就是使用XPS中的基本系统构建器(BSB)设计基于MicroBlaze处理器的硬件平台。BSB允 许选择目标板上提供的一系列外设。您还可根据应用需求添加或删除外设。我们所推荐应用采用的内核或外设集包括带8Mb存储器的外部存储器控制器、在中断情 况下启用的定时器、波特率为115,200Bps的RS232 UART、以太网、非易失性存储器以及

LED。完成选择后，我们就获得了硬件外设及其总线接口(图3)。对于基于MicroBlaze处理器的设计，PetaLinux需要支持MMU的CPU。因此我们在XPS窗口中双击MicroBlaze_0实例，选择了带MMU的低端Linux。

图3：FPGA的硬件配置

此时硬件设计已完成。现在可以使用第一阶段引导载入程序引导该内核。

接下来，我们使用三步转换流程将硬件配置转换为比特流。首先，我们使用XPS生成了代表嵌入式硬件平台的网表。随后，我们将设计映射到FPGA逻辑 中。最后我们将实现的设计转换为能够下载到FPGA上的比特流。XPS的最终输出是system.bit和sys-tem_bd.bmm文件。

生成比特流后，我们将硬件平台描述导出到SDK，以便在SDK中观察目标硬件平台。导出的系统xml文件包含SDK编写应用软件并在目标硬件平台上 对其进行调试所需的信息。我们的下一项任务是使用Xilinx Tools → Repository → New 在SDK中添加一个PetaLinux库，然后选择PetaLinux的安装路径。在本实例中，该路径为$PetaLinux/Hardware /edk_user_repository。

接下来，我们使用File → Board support package → PetaLinux创建了PetaLinux BSP。我们根据所需的应用选择必要的驱动程序，配置了PetaLinux BSP。随后我们通过构建BSP并创建和配置第一阶段的引导载入程序应用(fs-boot)，引导了内核。该BSP可建立硬件和引导应用之间的交互。 SDK的输出为fs-boot.elf。可使用数据到存储器转换器命令data2mem

将system.bit、system_bd.bmm和fs-boot.elf 合并为一个名为download.bit的统一比特流文件，用作最终的FPGA比特流。

此时硬件设计已完成，其它方面还包括一个MicroBlaze内核和运行其上的PetaLinux操作系统。现在我们可以使用第一阶段的引导载入程序引导内核。