在PYNQ-Z1开发板上学习PYNQ，第一步当然是要熟练掌握开关机——别小看这一步，它可是成功的开端。官方镜像用起来省心又顺手，但如果你偏要挑战自己，不用官方镜像来启动PYNQ-Z1，那你就得准备好深入 bare metal 世界，搞定 bring-up 这个技术活了。

Boot Process

zynq7000系列芯片启动步骤概括来说分为下面几个部分

• BOOTROM
• FSBL
• bitstream
• U-Boot
• Kernel
• device-tree
• rootfs

有两种启动方式，master boot 和 slave boot。master boot 是指从 zynq ps 启动，初始化过程由 ps 端的 arm 来完成。slave boot是说zynq作为jtag的从设备，这里不做讨论。

Boot Mode Pin Settings

ug585

https://digilent.com/reference/_media/reference/programmable-logic/arty-z7/arty_z7_sch.pdf

首先要对硬件做一些设置，

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BOOT_MODE[0] = 1
BOOT_MODE[2] = 0

对应到 Boot Device = SD ，因此要把 pynq-z1 的 jp1 拨到 SD 上。

BOOTROM

上电后，片上 Arm Cortex A9 第0个核开始跑 bootrom 读 boot_mode 引脚电平，得知启动设备是 sd 卡，初始化 sdio 相关的 MIO pin，初始化 SD 控制器。然后，它从 sd 卡第一个 fat32 格式的分区加载特定格式的启动镜像 BOOT.BIN 。从 BOOT.Bin 中找到 fsbl，解析 BootRom header，加载 fsbl 到 OnChipMemory，最后跳转到 OCM 上，移交 CPU，开始了下一阶段的旅程。

BOOT.BIN

AMD Technical Information Portal

ug1400

值得一提， BOOT.BIN 是一个非常灵活的结构，可以把 bitstream、uboot、linux kernel 甚至是 rootfs 都放进去，让 bootrom 帮助加载执行。

怎么生成 BOOT.BIN 呢？这里有两个工具 bootgen vs mkimage

bootgen

bootgen 是 Xilinx 用于生成启动映像的工具，source一下就可以使用了

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source /opt/Xilinx/Vivado/2018.3/settings64.sh

它的 GUI 集成在 AMD Vitis （原来叫 Xilinx SDK） 里面

mkimage

mkimage 是 u-boot 集成的工具

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./tools/mkimage -T zynqimage -R ./"" -d spl/u-boot-spl-align.bin spl/boot.bin

可以把 u-boot SecondaryProgramLoader 转换成 zynq 可以识别的格式，引导 u-boot elf 启动

u-boot

u-boot 起来之后，启动 Linux 方式就花样繁多了，这里 xilinx 官方的 Writeup Using Distro Boot With Xilinx U-Boot 上面有详细介绍，官方很多文档值得学习（甚至想做个mirror）

简单说，有三种启动方式 bootcmd、extlinux、boot.scr，选一个适合自己的就好。 如果在 BOOT.BIN 没有 配置 bitstream，也可以考虑用 u-boot 加载位流，U-Boot FPGA Driver。 也可以在 Linux 系统中加载。

Linux Kernel

zynq7000 有三个 kernel 分支可用

• mainline kernel https://github.com/torvalds/linux
• xilinx kernel 有更多芯片级支持 https://github.com/Xilinx/linux-xlnx
• digilent kernel 有一些板级驱动 https://github.com/digilent/linux-digilent

Build Linux for PYNQ z1 using petalinux

参考
https://blog.csdn.net/sements/article/details/88921275
https://blog.csdn.net/sements/article/details/88978302

PetaLinux 是 xilinx 提供的一个基于 Yocto 项目的构建系统，允许用户为 zynq 定制和构建嵌入式 Linux 发行版，这是官方推荐的方式，与 vivado、SDK 等工具集成度高，方便稳定，隐藏了很多细节。 我这里用 petalinux 2018.3 版本，老版本有个额外的 bonus，就是有 hdmi framebuffer 驱动，Linux 可以用 X window 桌面系统。

hdmi demo bitstream

https://digilent.com/reference/learn/programmable-logic/tutorials/arty-z7-hdmi-demo/start

安装 petalinux

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./petalinux-v2018.3-final-installer.run /opt/Xilinx/petalinux/2018.3
source /opt/pkg/petalinux/2018.3/settings.sh

创建

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petalinux-create --type project --template zynq --name pynqlinux
petalinux-config --get-hw-description=/path/to/Arty-Z7-20-HDMI-Out.sdk

配置

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petalinux-config
petalinux-config -c kernel
petalinux-config -c rootfs
petalinux-config -c device-tree

配置 kernel 打上两个 digilent 驱动，然后修改和配置对应的 Kconfig 和 Makefile

• https://github.com/Digilent/linux-digilent/blob/old_master/drivers/clk/clk-dglnt-dynclk.c
• https://github.com/Digilent/linux-digilent/blob/old_master/drivers/gpu/drm/xilinx/digilent_encoder.c

配置 rootfs 选项

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Petalinux Package Groups ---> packagegroup-petalinux-xfce
Filesystem Packages ---> misc ---> epiphany

安装 xfce 桌面环境和 epiphany 浏览器

修改设备树 project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi

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&amba_pl {
 
	hdmi_encoder_0:hdmi_encoder {
		compatible = "digilent,drm-encoder";
		digilent,edid-i2c = <&i2c0>;
	};
 
	xilinx_drm {
		compatible = "xlnx,drm";
		xlnx,vtc = <&v_tc_0>;
		xlnx,connector-type = "HDMIA";
		xlnx,encoder-slave = <&hdmi_encoder_0>;
		clocks = <&axi_dynclk_0>;
		dglnt,edid-i2c = <&i2c0>;
		planes {
			xlnx,pixel-format = "rgb888";
			plane0 {
				dmas = <&axi_vdma_0 0>;
				dma-names = "dma";
			};
		};
	};
};

编译

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petalinux-build -c device-tree 
petalinux-build

可以只device-tree部分编译，如果需要cleanup

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petalinux-build -x mrproper

最后打包 fsbl、bitstream、u-boot 生成BOOT.BIN文件

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petalinux-package --boot --fsbl --fpga --u-boot --force

准备 sd 卡

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sudo tar -xzf rootfs.tar.gz -C /media/sdxxx
cp image.ub BOOT.BIN /media/sdxxx

擦腚 开机，简单上上网有亿点点卡

hdmi驱动参考

• https://docs.amd.com/v/u/en-US/dh0083-video-hub
• https://docs.amd.com/v/u/en-US/pg044_v_axis_vid_out

如果想体验完善的桌面系统，可以玩一下 Xillinux

Build Linux for PYNQ z1 using Buildroot

除了 petalinux，buildroot 也是构建 Linux 的一个选择。buildroot 上游没有官方支持 PYNQ-Z1，但自己动手添加一下并不难。 https://bootlin.com/doc/training/buildroot/buildroot-slides.pdf 这是入门 buildroot 很好的教程。

这里以 2024.05-rc2 为例，使用 br2-external trees 的方式

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https://github.com/996refuse/pynqz1_buildroot/tree/2024.05-rc2

根据 buildroot 官方文档 和 xilinx buildroot 文档

• https://github.com/buildroot/buildroot/blob/master/board/zynq/readme.txt
• https://xilinx-wiki.atlassian.net/wiki/spaces/A/pages/18842369/Build+Linux+for+Zynq-7000+AP+SoC+using+Buildroot

需要 buildroot 移植主要是两点

• kernel 和 u-boot 的 device-tree
• ps7_init_gpl.c/h

设备树

包括 u-boot 设备树和 linux 设备树

我们可以参考其他项目的配置来修改

• https://blog.csdn.net/lilijianqun/article/details/132121892
• https://blog.cloudkernels.net/posts/pynq-z1/
• PYNQ 官方 patch https://github.com/Xilinx/PYNQ/blob/master/boards/Pynq-Z1/petalinux_bsp/meta-user/recipes-bsp/u-boot/files/0001-add-support-for-artyz.patch

ps7_init_gpl.c/h

U-Boot 只包含了常见开发板的 ps7_init_gpl.c/h 文件，如果没有这些文件， boot.bin 可以成功构建，但无法正常运行。ps7_init 是使用 Xilinx SDK 生成的，用来配置时钟、引脚、AXI等等外设

在 sdk 目录下可以找到方便阅读的配置文件 hw_platform_0/ps7_init.html

操作步骤

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$ git clone https://gitlab.com/buildroot.org/buildroot
$ cd buildroot
$ git checkout -b 2024.05-rc2
$ make BR2_EXTERNAL=../pynqz1_buildroot zynq_pynqz1_defconfig
$ make all

这样我们可以非常方便的为 PYNQ-Z1 定制 Linux 了