Anhang. Kapitel Anleitungen Erstellen eines System-on-a-Chip mit Hilfe des EDKs

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1 Kapitel 10 Anhang 10.1 Anleitungen Erstellen eines System-on-a-Chip mit Hilfe des EDKs 1. Erstellen eines System mit dem XPS für Linux Man startet hierfür den Wizard im EDK. Es können meist alle Standardeinstellungen verwendet werden. Bei den Prozessoreinstellungen muss die Cache Unterstützung aktiviert werden, später müssen noch die Verbindungen der Cache Leitungen zum DDR-Ram gesetzt werden. Bei der Auswahl der RS232-Schnittstelle muss der DCE-Port verwendet wird, um spätere Verwirrung mit DTE-Port zu vermeiden. Später kann man noch die Baudrate der seriellen Schnittstelle auf Baud/Sekunde ändern, damit wird ein schnellerer Datentransfer beim Übertragen von großen Images gewährleistet. Außerdem muss bei den Peripherie Komponenten, wie Buttons, LEDs oder RS232, der Haken für Interrupts aktiviert werden. Damit ist gewährleistet, dass direkt ein Interrupt Controller ins System mit eingebunden wird, dessen erzeugte C-Header werden für die spätere Kompilierung des Linux-Systems benötigt. Bevor mit dem Synthetisieren des Systems begonnen wird, muss das XPS-Timer IP-Paket mit eingebunden werden. Für dieses Modul lässt man sich Adressen erzeugen und verbindet es mit dem PLB Bus. Wichtig hierbei ist, dass der Interrupt Ausgang des Timer-Moduls mit dem Interrupt Controller verbunden wird, ansonsten hat dieses Timer-Modul wenig Sinn. Konfiguration mit MMU (empfohlen) Es muss die Optimierung in den IP Einstellungen des Microblazes abgeschaltet werden. Danach kann unter MMU die MMU eingeschaltet werden, sie sollte hierbei auf Virtual gestellt werden. 2. FS-Boot im Blockram initialisieren Wir benötigen für den Boot-Vorgang zwei Bootlader, einmal das UBoot und den FS-Boot. Da der Microblaze Prozessor bei der Adresse 0x0 anfängt seine Aufgaben zu erledigen und dieser Speicherbereich hier nur 8 KByte groß ist, brauchen wir hier zwei Bootlader. Der erste initiale Bootlader muss daher in den Block-Ram des FPGA passen. Er hat nur die Aufgabe den nächsten Bootlader (U-Boot), der außerhalb des FPGAs liegt, zu initialisieren. Außerdem bietet FS-Boot eine recht komfortable Lösung den zweiten Bootlader erst einmal auf das Board zu bringen. Er bietet hier die Möglichkeit, beispielsweise U-Boot bequem über die serielle Schnittstelle in den DDR-RAM zu laden und diesen zu starten. Nun zur Einbindung des FS-Boot in das vorher erzeugte System. Man erstellt über den Wizard ein neues Application Project. Am besten erzeugt man sich jetzt einen Ordner im Wurzelverzeichnis 61

2 des XPS Projekts und kopiert dann die Quellcode Dateien des FS-Boot in das erstellte Verzeichnis. Den Quellcode des FS-Boot findet man im Petalinux Verzeichnis unter folgendem Verweis: /petalinux-v0.40-fin al/hardware/fs-boot Nun kann das System gebaut werden. Um zu testen, ob die Funktionalität gegeben ist, sollten nun die Xilinx Testprogramme gestartet werden Integration der Petalinux-Umgebung in das System-on-a-Chip Zu Beginn immer die Petalinx-Umgebungsvariablen einbinden: source petalinux-v0. 40-final/settings.sh 1. Erzeugen einer neuen Linux Plattform in der Petalinux Umgebung mit Hilfe des Befehls petalinux-new-platfo rm -k 2.6 -v Xilinx -p Spartan3A-RevD Konfiguraion mit MMU:: petalinux-new-platfo rm -k 2.6 -v Xilinx -p Spartan3A-RevD -m 2. Erzeugen eines EDK Projektes (wie oben) und in folgendes Verzeichnis kopieren ${PETALINUX}/hardwar e/user-platforms/ 3. Anpassung der System-on-a-Chip System-Datei Nun muss die MSS Datei editiert werden. Sie enthält Einstellungen und Informationen der zu erzeugenden Software und Library. Folgendes muss in den OS-Tag eingefügt werden und auf die Instanzen der Hardwaremodule angepasst werden: BEGIN OS PARAMETER OS_NAME = petalinux PARAMETER OS_VER = 1.00.b PARAMETER PROC_INSTA NCE = microblaze_0 PARAMETER stdout = R S232_DCE PARAMETER stdin = RS 232_DCE PARAMETER main_memor y = DDR2_SDRAM PARAMETER main_memor y_bank = 0 PARAMETER main_memor y_size = 0x PARAMETER flash_memo ry = FLASH PARAMETER flash_memo ry_bank = 0 PARAMETER lmb_memory = ilmb_cntlr END Wichtig: Es ist wichtig, dass der Parameter "flash_memory_bankäuf 0 gesetzt wird, sonst wird die Flash bank NR: 1 verwendet, hierbei führt es zu Problemen. Das EDK oder Petalinux unterteilt den Flash Speicher anscheinend in vier Bänke von je 4 MB. Das führt hier zu Problemen, da wir auf dem Spartan 3A nur 4 MB zur Verfügung haben. Das Spartan 3E beispielsweise hat im Gegensatz 16 MB. 62

3 4. Kopieren des bsp-verzeichnis aus der Petalinux-Umgebung in das Hardwareverzeichnis cp ${PETALINUX}/hard ware/edk_user_reposi tory/petalogix/bsp $ {PETALINUX}/hardware /user-platforms/spar tan3 5. Hardware-Projekt erzeugen Das erstellte Hardwareprojekt muss nun erstellt werden. Es muss also ein Bitfile erzeugt werden. 6. Konfiguration vom System-on-a-Chip in die Petalinux kopieren Man muss nun in den Ordner $PETALINUX/hardware/ my_new_hardware_proj ect wechseln und folgenden Befehl ausführen: petalinux-copy-autoc onfig -v Xilinx -p S partan3a-revd 7. Nun kann Petalinux gebaut werden Hinweise zur Verwendung von U-Boot in der Petalinux Umgebung Es gibt eine Konfiguration, die standardmäßig in der env Partition landet. Diese Konfiguration ist schon sehr gut angepasst und kann direkt verwendet werden. Man sollte sich vorher jedoch einen TFTP-Server auf dem Hostrechner installieren, damit auch die Images über LAN via TFTP geladen werden können. Die Konfiguration findet man unter: ${PETALINUX}/softwar e/petalinux-dist/u-b oot/board/petalogix/ microblaze-auto/ub.c onfig Bei Betrachtung dieser Konfiguration fällt auf, das schon alles initialisiert wurde. Hat man nun einen funktionierenden TFTP-Server und funktionierendes Lan, so kann man mit folgenden Befehlen auf der U-Boot Konsole, den U-Boot und den Kernel automatisch in den Flash kopiern lassen. Hier wird der U-boot vom TFTP geladen und anschließend an den Beginn des Flash-Speichers geladen:: run update_uboot Hier wird das Kernel-Abbild vom TFTP-Server geladen und anschließend angrenzend zu U-Boot und U-Boot-Env in den Flash geschrieben:: run update_kernel Bearbeiten des ROM-FS Images Das RomFS ist das Wurzel-Dateisystem. Das RomFS befindest sich in: ${PETALINUX}//softwa re/petalinux-dist/ro mfs Es muss darauf geachtet werden, dass nichts in die Verzeichnisse /var und /etc/config vorbelegt wird. Diese Verzeichnisse werden später als RAMFs in das System eingebunden und damit gehen die Vorbelegungen verloren. Das /var Verzeichnis dient zum protokollieren für das System. Das /etc/config enthält alle wichtige Konfigurationsdateien wie passwd, fstab etc. Möchte man eine dieser Dateien anders vorbelegen, so kopiert man die Daten in das /etc/default Verzeichnis, denn der Inhalt von /etc/default wird beim Bootvorgang in das /etc/config kopiert. Wichtig ist hier, dass beim Einbinden des initramfs als erstes der Init-Prozess aufgerufen wird. Der Init-Prozess ist der erste Anwendungsprozess und man kann diesem Prozess auch Befehle mitgeben, die er beim Start mit ausführen soll. Die Befehle, die mitgegeben werden können, liegen in der Datei petalinux-v0.40-final/software/petalinuxdist/romfs/etc/rc. Ein Blick in die Datei verrät was hier passiert: 63

4 #!/bin/sh PATH=/bin:/sbin:/usr /bin:/usr/sbin echo "Mounting proc: " mount -t proc proc / proc echo "Mounting var: " mount -t ramfs none /var echo "Populating /va r: " mkdir /var/run/ && mkdir /var/tmp/ && chmod 777 /var/tmp echo "Running local start scripts." for i in /etc/rc.d/s * do if [ -x $i ]; then /bin/sh $i fi done Wie hier gut zu sehen ist, werden die wichtigsten Dateisystem gemountet. Außerdem kann man, wie bei Linux Systemen auch, mit Hilfe von Startskripten beliebige Dienste oder ähnliches starten. Hierfür wurde ein kleines Skript gebaut, dass einen nfs-mount auf dem Entwicklungsrechner vornimmt und die entwickelten Linux-Treibers einbindet: #!/bin/sh PATH=/bin:/sbin:/usr /bin:/usr/sbin ifconfig eth0 inet d own ifconfig eth0 inet u p netma sk bro adcast mkdir -p /mnt/softwa mkdir -p /mnt/devl_n mkdir -p /mnt/tmp_nf re fs s echo "Mounting devel opment directory: " mount -t nfs -o prot o=tcp : /home/duronflo/works pace/svns/fpgalinux/ fpgalinux/software/t reib echo "Mounting tmp n fs directory: " mount -t nfs -o prot o=tcp : /home/duronflo/works pace/ba/nfs_tmp /mnt /tmp_nfs/ echo "Mounting softw are directory: " 64

5 mount -t nfs -o prot o=tcp : /home/duronflo/works pace/svns/fpgalinux/ fpgalinux/software / mnt/ echo "Create device nodes for own device s: " mknod /dev/snd c mknod /dev/leds c mknod /dev/buttons c insmod /modules/pcmm insmod /modules/led. insmod /modules/butt 8.ko ko ons.ko echo "Linking libmad : " ln -s /lib/libmad.so /lib/libmad.so.0 ln -s /lib/libmad.so /lib/libmad.so Mit dem Befehl make romfs, kann das Image schließlich erzeugt werden. Danach muss noch make ausgeführt werden, damit das Wurzeldateisystem in den Kernel eingebunden wird Hinzufügen neuer Gerätedateien Es muss folgendes Makefile geöffnet werden: ${PETALINUX}//softwa re/petalinux-dist/ve ndors/xilinx/spartan 3a-RevD/Makefile Hier kann nun, wie folgt, ein neuer Geräteknoten eingefügt werden: # # Makefile -- Build instructions for Gen eric uclinux-auto Mi croblaze system # include $(VEND)/Peta Logix/common/common. mak DEVICES += devname,t ype,major,minor <<<---- ADD NEW DEVI CES HERE romfs:: clean:: Als Erklärung: devname: Der gewuens chte devicename type: entweder c (ch aracter) oder b (blo ck) mayor: Mayornummer d es Treibers minor: Minornummer d es Treibers 65

6 Portierung der libmad auf den Microblaze Prozessor Der Linux-Patch heißt libmad b.patch.mb.support und ist auf der Daten-CD verfügbar. Der Patch wird in das libmad-verzeichnis kopiert und wie folgt eingespielt. patch -p1 config.sub < libmad b.pat ch.mb.support Ist der Patch erfolgreich eingespielt, kann der Kompilierungsprozess schon starten. Vorher sollte darauf geachtet werden, dass die Petalinux Toolchain in das System eingebunden wurde../configure --enable -speed --host=mb-lin ux make Verzeichnis kopiert oder gelinkt werden Nützliche Hinweise zu der Petalinux Umgebung Im Verzeichnis /libmad b/.libs findet sich nun die libmad Bibliothek, welche für das System-on-a-chip kompiliert wurde. Um diese in das Linux-System auf dem System-on-a-Chip einzubinden, muss diese in das /lib Auswahl des richtigen Cross-Comilers Es gibt zwei verschiedene Compiler in der Toolchain. Einer ist für die Entwicklung mit MMU und der andere für die Entwicklung ohne MMU. Dazu ein Auszug aus ${PETALINUX}/softwar e/petalinux-dist/ven dors/config/microbla ze/config.arch : ENDIAN = big MACHINE = micr oblaze ARCH = micr oblaze # Choose cross-compi ler on whether or no t we are tagetting M MU-full system # ugly, but will do for now ifeq ($(CONFIG_MMU), ) CROSS_COMPILE = micr oblaze-uclinuxelse CROSS_COMPILE = mb-l inuxendif In Kurzform, für Systeme ohne MMU nimmt man den "microblaze-uclinux-gcc" und für Systeme mit MMU nimmt man den "mb-linux-gcc"compiler Hinweise zum Initramfs Initramfs wurde im Kernel 2.6 eingeführt und ist vergleichbar mit dem älteren Format initrd. Das initramfs ist ein Dateisystem, das im Kernel direkt integriert ist und beim Bootvorgang eingebunden wird. Bei eingebetteten Systemen wird das initramfs meist verwendet um das komplette Wurzelverzeichnis abzubilden, wie hier in unserem 66

7 Kernel-Image. Das initramfs muss im Kernel erst aktiviert werden, bevor es verwendet werden kann. Außerdem muss dem Kernel die Lage eines Konfigurationsskriptes mitgeteilt werden. Das Konfigurationsskript enthält alle wichtigen Dateien, Ordner, Geräteknoten und symbolischen Verknüpfungen, die nötig sind um das initramfs Abbild zu erzeugen. Hier ein Auszug aus der hier verwenden Konfigurationsdatei: dir /proc dir /dev dir /dev/flash dir /lib dir /lib/modules file /lib/libnss_dns so /home/duro nflo/workspace/ba/pe talinux-v0.40-final/ software/petalinux-d ist/ slink /lib/libnsl.so.1 libnsl so nod /dev/mtd c Zur Erklärung: Der erste Wert gibt Auskunft über die Art des Eintrags. Der nächste Wert gibt den Speicherort und die Berechtigung des Knotens an. slink /init bin/init Nachdem der Kernel das initramfs eingbunden hat führt er den ersten Anwendungs-Prozess aus, dieser ist der Initprozess. Daher muss in /-Verzeichnis ein symbolische Verknüpfung namens init auf den Init-Prozess zeigen, denn der Kernel sucht während des Bootvorgangs nach dieser Datei, um diese dann auszuführen. Ist diese symbolische Verknüpfung nicht vorhanden, kommt folgende Fehlermeldung: VFS: Cannot open roo t device "NULL" or u nknown-block(0,0) Please append a corr ect "root=" boot opt ion Kernel panic: VFS: U nable to mount root fs on unknown-block( 0,0) Wie wird das Initramfs zusammengebaut? Petalogix hat sich hierfür eine sehr gute Lösung überlegt. Man erstellt per Hand ein Wurzeldateisystem mit allen Ordnern, binären Dateien, Geräteknoten und symbolischen Verknüpfungen. Ein Petalogix Shellskript parst dieses Wurzeldateisystem und erzeugt eine Konfigurationsdatei zum Erzeugen des Initramfs. Die Konfigurationsdatei sieht aus wie oben und enthält alle Verzeichnis, Dateien. Auf diese Konfigurationsdatei wird später beim Erzeugen des Kernels zurückgegriffen und das initramfs entsprechend erzeugt. Folgendes Petalogix Skript kommt hier zum Einsatz: petalinux-v0.40-fina l/tools/common/petal ogix/bin/petalinux-g en-initrd Das zu erzeugende Wurzeldateisystem liegt in petalinux-v0.40-fina l/software/petalinux -dist/romfs/bin Problem mit Debian Verwendet man Debian mit einem deutschen Konsolesprachpaket, so funktioniert das Skript nicht 100% und erzeugt ein nicht funktionierendes initramfs. Es muss folgendes im petalinux-gen-initrd Skript geändert werden:: 67

8 link=${link//[\ \?]} ersetzen durch: link=${link//[\?\?]} Danach funktioniert es auch mit einem deutschen Debian. Ohne diese Änderungen funktioniert der Parser nicht richtig und erzeugt somit eine Konfigurationsdatei, die zwar vom Build-Prozess verwendet wird, aber falsche Pfadangaben beinhaltet Wichtige Hinweise zu U-boot Konfigurationsshell-skript für U-boot U-Boot wird für Petalinux mit Hilfe eines Shell-Skriptes gebaut. Das Skript führt alle notwendigen Konfigurationsschritte aus und erzeugt eine C Header-Datei, die alle nötigen Flash-Partitionen enthält. Die Flash-Partitionen können im libcurses Menü von Petalinux eingestellt werden. Das Skript parst diese Datei und erzeugt daraus einen C Header, der von U-boot zur Kompilierung benötigt wird. Lage des Skriptes: $PETALINUX/software/ petalinux-dist/u-boo t/petalinux-uboot-co nfig Das Skript wird vom Haupt-Makefile im $PETALINUX/petalinux aufgerufen. Hier die Vorgehensweise des Skriptes: -dist Verzeichnis unter der Regel uboot-config # # MAIN ROUTINE # # Read config/.confi g file for FLASh par tition definitions read_config_file # Sanity Partition t able check check_partition_tabl e # Generate FLASH par tition table include file gen_partition_file # Configuration file substitution sub_config_file # Run U-Boot pre con figuration uboot_config Folgender Adressraum muss für das Spartan 3A Starter Kit gewählt werden. Der Adressraum beinhaltet dann genau 4 MB, wie der Flash des Spartan 3A Starter Kits. Diese Datei wird im laufenden Build-Prozess in einen C-Header umgewandelt: 68

9 ION1_NAME="boot" ION1_SIZE=40000 ION2_NAME="bootenv" ION2_SIZE=20000 ION3_NAME="config" ION3_SIZE=20000 ION4_NAME="image" ION4_SIZE= ION5_NAME="spare" ION5_SIZE=0 ION6_NAME="" ION6_SIZE=0 Hier die grundsätzliche Ordnerstruktur von U-Boot: - board Board depend ent files - common Misc archit ecture independent f unctions - cpu CPU specific f iles - disk Code for disk drive partition hand ling - doc Documentation (don t expect too mu ch) - drivers Commonly u sed device drivers - dtt Digital Thermo meter and Thermostat drivers - examples Example c ode for standalone a pplications, etc. - include Header Fil es - lib_arm Files gene ric to ARM architec ture - lib_generic Files generic to all arch itectures - lib_i386 Files gen eric to i386 archit ecture - lib_m68k Files gen eric to m68k archit ecture - lib_mips Files gen eric to MIPS archit ecture - lib_nios Files gen eric to NIOS archit ecture - lib_ppc Files gene ric to PowerPC archi tecture - net Networking cod e - post Power On Self Test - rtc Real Time Cloc k drivers - tools Tools to bui ld S-Record or U-Boo t images, etc. Weitere wichtige Konfigurationsänderungen zur Kompilierung von U-Boot: Das oben-genannte Konfigurationstool erzeugt hier den Header für das Board. Dieser Header enthält alle notwendigen Dinge (wichtige Adressen, Boardconfig, U-Boot Ip-Adresse, Speicherabbild vom Flash), die nötig sind um U-Boot zu bauen. Der Header kann hier gefunden werden: u-boot/include/confi gs/petalogix-microbl aze-auto.h Wie oben schon erwähnt befinden sich im board-verzeichnis wichtige Board-abhängige Dateien. Hier befinden sich wichtige Header die zum Starten des Boards wichtig sind. Aus diesen Headern und Funktionen wird später mit Hilfe von "mb-arëine Art Funktionsarchiv erstellt, das alle notwendigen Schnittstellen zur Verwendung des Boards beinhaltet. Das genaue Verzeichnis lautet: 69

10 u-boot/board/petalog ix/microblaze-auto Dieses Verzeichnis beinhaltet auch wieder den Header autoconf.h. Eine weitere wichtige Datei in diesem Ordner ist die ub.config. Sie enthält eine Beispielkonfiguration für U-Boot. Eine Konfiguration dieser Art könnten dann beispielsweise in unserer env-partition im Flash-Speicher landen, damit die Konfiguration auch nach einem Neustart verfügbar ist. 70