とあるエンジニアの備忘log

U-Boot と Linux Kernel のメインラインで Zynq を動かす 2014年4月版

13 May 2014

以前、2014年1月時点での U-Boot と Linux のメインラインで Zynq を動かす方法を紹介しました。

その後、コード(特に U-Boot)が大きく変わっているので、 2014年4月時点での動かし方を紹介することにします。

使用するのは、

  • U-Boot 2014.04
  • Linux Kernel 3.14
  • Zynq ZC706 ボード

です。

その前に、 Zynq のブートシーケンスを復習しておきましょう。 Active Boot (= JTAG ブート以外)は

  1. Boot ROM

  2. FSBL

  3. U-Boot

  4. Linux Kernel

というのが、Xilinx が公式にサポートしているブートシーケンスで、 Xilinx Wiki ページもこのやり方を紹介しています。

最近の U-Boot では

  1. Boot ROM

  2. U-Boot SPL

  3. U-Boot

  4. Linux Kernel

というブートシーケンスも可能になっています。

SPL というのは Secondary Progmam Loader の略です。 DRAM 等のメモリを初期化し、U-Boot 本体を NAND, MMC 等のデバイスからロードするための、 より小さなブートローダーといったものです。 U-Boot の標準のインフラとして用意されています。 詳しく知りたい人は U-Boot の doc/README.SPL を読んでください。

これを選択するメリットは、 FSBL (First Stage Boot Loader) を生成するために、 XSDK (Xilinx SDK) を起動しなくても済む、ということです。

さらに簡略化した

  1. Boot ROM

  2. U-Boot SPL

  3. Linux Kernel

というブートシーケンスもあります。 (Falcon ブートといいます)

これのメリットは U-Boot 本体をスキップすることで、より高速に Linux を起動できることです。

ただし、現時点ではサポートが限定的でまともに動かすのは難しいので、今回は割愛します。 おそらく、そう遠くないうちにまともに動かせるようになると思いますが。

以下では、 U-Boot 2014.04 から可能になった SPL を用いたブートのやり方を紹介します。

STEP1: U-Boot のビルド

Input Files Required
  • ARM Cross Compiler
  • ps7_init.c: ISE / Vivado で “Export Hardware for SDK” を実行すると出力される
  • ps7_init.h: ISE / Vivado で “Export Hardware for SDK” を実行すると出力される
Output Files Produced
  • u-boot.bin: U-Boot 本体の RAWバイナリ
  • u-boot.img: u-boot.bin に uImage ヘッダーをつけたもの
  • spl/u-boot-spl.bin: U-Boot SPLの RAWバイナリ
  • tools/mkimage: U-Boot で扱うイメージを生成するツール。
Task Description
$ git clone git://git.denx.de/u-boot.git
$ cd u-boot
$ git checkout v2014.04

でソース取得して、v2014.04 タグをチェックアウト。 （何かあっても自分で対処できる人は masterブランチでやってもOK）

まず、少々ソースコードをいじらなくてはなりません。

include/configs/zynq-common.h を開き、以下のように CONFIG_OF_CONTROL ～ CONFIG_RSA までを無効にする。

--- a/include/configs/zynq-common.h
+++ b/include/configs/zynq-common.h
@@ -199,6 +199,7 @@
 #define CONFIG_FIT
 #define CONFIG_FIT_VERBOSE     1 /* enable fit_format_{error,warning}() */
 
+#if 0
 /* FDT support */
 #define CONFIG_OF_CONTROL
 #define CONFIG_OF_SEPARATE
@@ -207,6 +208,7 @@
 /* RSA support */
 #define CONFIG_FIT_SIGNATURE
 #define CONFIG_RSA
+#endif
 
 /* Extend size of kernel image for uncompression */
 #define CONFIG_SYS_BOOTM_LEN   (20 * 1024 * 1024)

なんで、上記を無効にするかというと、前回の U-Boot 2014.01 では U-Boot を DeviceTree 付きで動かしたのですが、コードのマージが中途半端に行われたために、 2014.04 で再び CONFIG_OF_CONTROL が動かなくなってしまったためです。

頑張って動かすことはできるのですが、 Linux Kernel から DeviceTree の記述をいろいろと持ってこなくてはいけなかったり、 SPL から u-boot.img + DeviceTree をロードするのにコード修正したりと、 いろいろと修正箇所が多いので、無効にしてしまった方が楽です。

また、あとで、Kernel を TFTP でダウンロードしたいので、include/configs/zynq-common.h の適当なところに

#define CONFIG_IPADDR   192.168.11.2
#define CONFIG_SERVERIP 192.168.11.1
#define CONFIG_ETHADDR  00:0a:35:00:01:22

の3行を足す。

CONFIG_IPADDR は Zynqボードに割り振る IPアドレス、 CONFIG_SERVERIP は TFTP サーバーのアドレスに合わせて下さい。 MACアドレスは、(他のネットワーク機器と被らなければ)適当でいい。

TFTP サーバーがなくても、動かすことはできるので、ない人は上記はスキップして下さい。

さらに、 ps7_init.c, ps7_init.h を U-Boot の board/xilinx/zynq ディレクトリにコピーする。 このファイルが、 FSBL の代わりをするための、肝になるファイルです。

また

touch board/xilinx/xil_io.h

で、空の xil_io.h を作る。 (ps7_init.c が xil_io.h をインクルードしているので、これがないとエラーになる。)

あとは

$ make zynq_zc70x_config
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

のようにして、コンフィグレーションとビルドをする。

もしくは

$ make zynq_zc70x_config all CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

のように 1行で、コンフィグレーションとビルドを同時にすることもできる。

ps7_init.c と ps7_init.h が warning を出しますが、気にしなくてもOK。 気になる人は、関数のプロトタイプの引数部に void を足してください。

STEP2: Linux Kernel のビルド

Input Files Required
  • ARM Cross Compiler
Output Files Produced
  • arch/arm/boot/zImage: Kernel Image
  • arch/arm/boot/dts/zynq-zc706.dtb: Kernel をコンフィグレーションする DTB (Device Tree Blob)

(従来、 U-Boot から Kernel を起動するときは arch/arm/boot/uImage を使っていたが、これは使わない。)

Task Description
$ git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
$ cd linux
$ git checkout v3.14

でソース取得して、v3.14 タグをチェックアウト。 （何かあっても自分で対処できる人は masterブランチでやってもOK）

以下のようにして ARMv7 Multi な設定にする。

$ make ARCH=arm multi_v7_defconfig

ここで

$ make ARCH=arm menuconfig

をして、少々設定をいじる。

Device Drivers  --->
  Block devices  --->
    [*] RAM block device support
     (16384)  Default RAM disk size (kbytes)

のようにたどり、 RAM block device support にチェックを入れ、 Default RAM disk size を 16384 に設定する。

もう一つ

Device Drivers  --->
  Character devices --->
    [ ] Legacy (BSD) PTY support

のようにたどり、Legacy (BSD) PTY support のチェックを外す。

あとは

$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

でビルド。

STEP3: Ramdisk のダウンロード

Input Files Required
  • None
Output Files Produced
  • arm_ramdisk.image.gz: Kernel がマウントする init ramdisk (を gzip 圧縮したもの)
Task Description

こちら から arm_ramdisk.image.gz をダウンロードする。

STEP4: ITB (Image Tree Blob) の生成

Input Files Required
  • linux/arch/arm/boot/zImage
  • arm_ramdisk.image.gz
  • linux/arch/arm/boot/dts/zynq-zc706.dtb
  • u-boot/tools/mkimage

カレントディレクトリから見て、上記の配置になっているとする。

Output Files Produced
  • fit.itb: U-Boot から Kernel を起動するためのイメージ
Task Description

Kernel Image, Ramdisk, DTB (Device Tree Blob) を一つにまとめた ITB というのを作ります。 ITB を作るには、 ITS(Image Tree Source) を記述して、 mkimage に食わせます。

以下の内容を fit.its というファイルに記述する。

/dts-v1/;

/ {
        description = "Kernel, ramdisk and FDT blob";
        #address-cells = <1>;

        images {
                kernel@1 {
                        description = "Linux Kernel 3.14 configured with multi_v7_defconfig";
                        data = /incbin/("linux/arch/arm/boot/zImage");
                        type = "kernel";
                        arch = "arm";
                        os = "linux";
                        compression = "none";
                        load = <0x00008000>;
                        entry = <0x00008000>;
                        hash@1 {
                                algo = "md5";
                        };
                };

                ramdisk@1 {
                        description = "Ramdisk for Zynq";
                        data = /incbin/("arm_ramdisk.image.gz");
                        type = "ramdisk";
                        arch = "arm";
                        os = "linux";
                        compression = "gzip";
                        load = <0x00000000>;
                        entry = <0x00000000>;
                        hash@1 {
                                algo = "sha1";
                        };
                };

                fdt@1 {
                        description = "FDT for ZC706";
                        data = /incbin/("linux/arch/arm/boot/dts/zynq-zc706.dtb");
                        type = "flat_dt";
                        arch = "arm";
                        compression = "none";
                        hash@1 {
                                algo = "crc32";
                        };
                };

        };

        configurations {
                default = "config@1";

                config@1 {
                        description = "Zynq ZC706 Configuration";
                        kernel = "kernel@1";
                        ramdisk = "ramdisk@1";
                        fdt = "fdt@1";
                };
        };
};

あとは以下のようにすれば、fit.itb ができる。

$ u-boot/tools/mkimage -f fit.its fit.itb

STEP5: JTAG (Slave Boot) から U-Boot と Linux を起動する

Input Files Required
  • u-boot.bin: STEP1 で作成したもの
  • fit.itb: STEP4 で作成したもの
  • xmd: ISE / Vivado のインストールディレクトリに入っている
  • ps7_init.tcl: ISE / Vivado から “Export Hardware for SDK” を実行すると出力される
  • stub.tcl: Xilinx のページからダウンロードできる ug873-design-files.zip の中に入っている
  • fpga.bit: ISE / Vivado で生成した FPGA bit file (Optional)
Task Description

fit.itb を TFTP の公開ディレクトリに置く。（TFTP 環境のない人はスキップして下さい）

Zynq ボードのブートモードの選択スイッチを JTAG に合わせて電源入れる。JTAG でボードと接続し、XMD を開く。

$ xmd

XMD のプロンプトから以下を実行する。(FPGA は必要なければダウンロードしなくても良い)

XMD% connect arm hw                         ;# Open JTAG connection
XMD% rst -slcr                              ;# Reset the whole system
XMD% fpga -f fpga.bit                       ;# Download FPGA bit file (Optional)
XMD% source ps7_init.tcl
XMD% ps7_init                               ;# Initialize DDR, IO pins, etc.
XMD% ps7_post_config                        ;# Enable level shifter
XMD% source stub.tcl                        ;# start CPU1
XMD% targets 64                             ;# connect to CPU0
XMD% dow -data u-boot.bin 0x04000000        ;# Download u-boot to address 0x04000000
XMD% con 0x04000000                         ;# start CPU0 from address 0x04000000

なお、毎回これを打ち込むのも面倒ですので、 foo.tcl に書いておきましょう。

XMD% source foo.tcl

で XMD から読み込むか、シェルから

$ xmd -tcl foo.tcl

とすればよいです。

U-Boot のプロンプトが出た後、放っておくと、自動的に TFTPサーバーから fit.itb をダウンロードして、 Linux が起動する。

TFTP サーバーがない場合は、con 0x04000000 の前に

XMD% dow -data fit.itb 0x02000000

とすれば、 JTAG 経由で fit.itb をダウンロードできるので(時間かかりますが、、) あとは U-Boot のプロンプトから

> bootm 2000000

と入力して Linux を起動させる。

STEP6: SDカード用のブートイメージを作成する

Input Files Required
  • u-boot/spl/u-boot-spl.bin: STEP1 で作成したもの
  • bootgen: ISE / Vivado のインストールディレクトリに入っている
Output Files Produced
  • boot.bin
Task Description

foo.bif というファイル(名前適当でよい)に以下のように記述する。

image:
{
        [bootloader,load=0x00000000,startup=0x00000000]u-boot/spl/u-boot-spl.bin
}

そして

$ bootgen -image foo.bif -w on -o boot.bin

とすると、boot.bin ができる。SDカードのブートイメージは必ず boot.bin というファイル名でないといけないので注意する。

STEP6B: SDカード用のブートイメージを作成する (もうちょっと簡単なやり方)

Input Files Required
  • u-boot/spl/u-boot-spl.bin: STEP1 で作成したもの
Output Files Produced
  • boot.bin
Task Description

bootgen を使わずに boot.bin を作成する方法を紹介します。

u-boot-xlnx のコードを取ってきます。

git clone git://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx.git

tools ディレクトリの下に zynq-boot-bin.py という Python スクリプトが 入っているので、これを ~/bin かどこか適当な PATH にコピーする。

あとは

zynq-boot-bin.py -o boot.bin -u u-boot/spl/u-boot-spl.bin

とすれば、 boot.bin ができます。 BIF ファイルを記述しなくてもいい分、こちらの方が簡単だと思います。

なお、 u-boot-xlnx だと、 zynq-boot-bin.py が Makefile からフックされていて、 make すると自動で boot.bin までできるので、更に楽なのですが、 (しかもローカルでいろいろとソースをいじくらなくても動く) ここのページではあくまで、メインラインでやることを目指しています。

Step7: SDカードから U-Boot と Linux Kernel を起動する

Input Files Required
  • boot.bin: STEP6 または STEP6B で作成したもの
  • u-boot.img: STEP1 で作成したもの
  • fit.itb: STEP4 で作成したもの
Task Description

FAT でフォーマットしたSDカードに boot.bin, u-boot.img, fit.itb をコピー。

SDカードを Zynq ボードに挿し、ブートモードの選択スイッチを SD カードに合わせて電源入れる。

STEP8: FSBL を使ったブートシーケンス

上記の通り、 SPL を使ったブートシーケンスを紹介しましたが、 従来通りの FSBL を使ったブートシーケンスも可能です。

その場合は U-Boot に ps7_init.c と ps7_init.h をコピーしたり、 xil_io.h を作ったりする必要はないです。

STEP6 の部分を以下のようにアレンジすればよいです。

Input Files Required
  • fsbl.elf: FSBL (First Stage Boot Loader)。XSDK で生成。
  • fpga.bit: FPGA bit file (Optional)
  • u-boot/u-boot.bin: STEP1 で作成したもの
  • bootgen: ISE / Vivado のインストールディレクトリに入っている
Output Files Produced
  • boot.bin
Task Description

foo.bif というファイル(名前適当でよい)に以下のように記述する。

image:
{
        [bootloader]fsbl.elf
        fpga.bit
        [load=0x04000000,startup=0x04000000]u-boot/u-boot.bin
}

FPGA Bit file のダウンロードが不要なら fpga.bit の行は削除してよい。

あとは

$ bootgen -image foo.bif -w on -o boot.bin

とすると、boot.bin ができるので、 FAT でフォーマットしたSDカードに boot.bin と fit.itb をコピー。

今後の開発の行方

Zynq は U-Boot の中でも、特に頻繁に更新されている SoC で、今後もやり方が変わっていく可能性が高いです。 今回、ローカルでソースをいじくっている部分のいくつかは、修正パッチを投稿しておいたので、 次のリリースではもうちょっと楽になるはず。

U-Boot 2014.04 ではまともに動いてませんが、 DeviceTree を使った U-Boot のコンフィグレーションに移行していくでしょう。

最終的には、 ps7_init.c と ps7_init.h をコピーすることもなくなり、 すべての情報を DeviceTree から読み込むようになるだろう。 (と、コードを書いている Xilinx のエンジニアは語っておりました。)

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