【ZYNQ Linux移植】5-根文件系统移植

0 写在前面

       这是一个系列博客，详细介绍如何在 ZYNQ 与 ZYNQ MP 平台上如何移植 Linux 系统。目前网络上的大部分教程都是全程基于 Petalinux 的开发，虽然这样简化了开发流程，但对于初学者深入理解掌握 Linux 是不利的，所以，有了这个系列的博客，从几乎为 0 开始教大家怎么移植 Linux 系统。

       本人的软件与环境版本：

       Windows 的 Vivado 与 Vitis 版本：2020.2（前期学习 ZYNQ7020 跟随正点原子安装）；

       Ubuntu版本：18.04.2；

       虚拟机上的 Vivado、Vitis 与 Petalinux 版本：2020.1（前期学习 ZYNQ MP 跟随 Alinx 安装）。

       所有相关的文件存放在虚拟机的以下路径：

~/Linux_tp

       如果后面涉及到一些命令行操作的文件路径，大家可以参考着修改为自己的路径。

​       此外，我后续的操作与实测都是黑金（Alinx）基于 ZYNQ MP 系列的 zu3eg 操作，但基本也会对 ZYNQ-7000系列的一些不同做一些说明，如果你使用的是 ZYNQ-7000 系列的板卡，可以自己灵活变通一下。

1 根文件系统介绍

​       根文件系统（Root Filesystem）是 Linux/Unix 系统中最顶层的文件系统，是内核启动后挂载的第一个文件系统（挂载点为/），包含了操作系统运行所需的关键目录结构、设备文件、配置文件、命令工具和库等。它是系统运行的基石，所有其他文件系统（如/home、/boot等）都直接或间接挂载在其下。

       Linux 根文件系统遵循 **FHS（Filesystem Hierarchy Standard）**规范，常见目录包括：

目录名称	描述
/bin	存放系统需要的可执行文件
/dev	设备文件目录，所有硬件设备都是以文件的形式存在
/etc	存放各种服务程序的配置文件
/lib	库文件的存放目录
/mnt	临时挂载目录，一般SD卡，NFS会临时挂在这
/proc	虚拟的文件系统，里面都是临时文件，用来存储系统运行信息文件
/usr	Unix Software Resource（不是user）缩写，存放用户级数据和程序
/var	存放一些动态的程序数据，如系统日志等
/sbin	存放系统管理员常用的管理程序，只有管理员权限才可以使用
/sys	最终使用的配置文件
/opt	可选的文件、软件存放区
/home	普通用户工作目录
/root	超级用户的工作目录

       知道了大致的结构，接下来，我们开始移植！

2 SD卡分区

       使用 SD 卡启动 Linux，通常会把 SD 卡分为 FAT 和 EXT4 文件系统两个分区，具体原因，我曾经写过一篇：嵌入式Linux开发为什么要设置FAT与EXT两个分区，这里就只讲分区操作了。

​       把 SD 卡放入读卡器插入电脑，如果用的是虚拟机，需要注意把它连接到虚拟机上，VMWare是在右下角找到设备，右击，选择连接（断开与主机的连接）

​       如果是开启虚拟机后插入，一般会提示让你选择连接到主机还是虚拟机。

​       此时需要以此从上至下点击框选处才能连上。

       连接成功后，点击左下角的显示应用程序，在搜索栏中输入disk：

​       点击磁盘或disk进入：

​       选择对应的 SD 卡，不管原来有多少个分区，这里都建议先全部删除（注意备份重要文件！）

​       删除完后，点击 + 重新添加分区：

​       我这里给 FAT 分区分配 5G 空间：

​       剩下的空间留下1G不做分配，其余的全分配给EXT分区：

​       分区完了，记得给两个分区进行挂载，这样才能往里面进行读写。

​       至此，就完成了 SD 卡分区。

3 不同根文件系统的移植

       移植根文件系统主要围绕以下三个问题进行：

       （1）首先是怎么得到文件系统？

​       （2）然后是怎么让根文件系统活起来（与Linux内核有机结合起来）？

​       （3）最后是怎么在电脑/虚拟机上给系统安装软件以及进行配置？

       先给出前面两问的答案：如果用 Petalinux，Xilinx已经为我们一条龙安排好了，直接用即可。如果不用 Xilinx 官方的，自己也不会写，那就使用别人做好的根文件系统，再把上一篇：【ZYNQ Linux移植】4-内核移植 中编译好的内核的模块文件放进根文件系统。

3.1 Petalinux提供的根文件系统

3.1.1 获取相关文件

​       当我们使用 Petalinux-build 命令完成对于工程的编译后，会在以下目录生成 Petalinux 为我们准备好的根文件系统：

工程根目录/images/linux

​       我们要做的，就是使用下面命令把它里面的内容解压到我们上面挂载的 EXT 分区（目录根据自己情况修改）：

sudo tar -zxvf /home/chj/peta_prj/linuxPsBase/petalinux/images/linux/rootfs.tar.gz -C /media/chj/EXT

​       同时，需要把三个文件复制到 FAT 分区：

cp /home/chj/peta_prj/linuxPsBase/petalinux/images/linux/boot.scr /home/chj/peta_prj/linuxPsBase/petalinux/images/linux/BOOT.BIN /home/chj/peta_prj/linuxPsBase/petalinux/images/linux/image.ub /media/chj/FAT

       都完成后，再执行以下命令，完成同步：

sudo sync

3.1.2 Petalinux 系统测试

​       调整板卡至 SD 卡启动模式，上电启动，如果前面跟着操作的话，这里可能因为我们修改了 bootargs 环境变量导致无法直接启动系统，这时输入以下命令，把环境变量先恢复默认：

env default -a
saveenv

​       再重新上电，应该就可以正常启动了，如果还不行，就重新用 Petalinux 编译生成 BOOT.BIN 再重新拷贝。

​       正常启动后如下：

       我原来在根文件系统进行了设置，直接登录，如果需要输入账号密码，则两者都是 root。

       由于是一个全新的系统，当前用户目录下是没有文件的，所以 ls 没有结果，不要为此以为出了什么问题，可以进入根目录看看，后面的系统也是一样的：

cd /
ls

3.2 Debian系统

3.2.1 获得 Debian 的最小系统

​       在第一篇：【ZYNQ Linux移植】1-前期准备 中，我们已经获取了 Debian 的最小系统，这里不再赘述，没有获取的可以进去参考一下。

3.2.2 移植内核模块

       首先我们需要先清除掉 SD 卡中原有的文件，FAT 分区直接图形化界面删除较快，EXT 分区需要使用命令（**注意确保当前路径在 EXT 分区下！！！**建议直接在 EXT 分区右键打开终端）：

sudo rm -rf *

​       再把【ZYNQ Linux移植】3-u-boot移植 中获取的 BOOT.bin 以及【ZYNQ Linux移植】4-内核移植 中获取的Image 、system-dtb 放入 SD 卡 FAT 分区：

       最后明确一下，内核模块在哪里！它的位置为：

内核源码/lib

       当然，首先得保证已经编译成功了。我们要做的是把这个目录下所有文件都复制到我们在第一篇：【ZYNQ Linux移植】1-前期准备 中解压出来的 debian 根文件系统的 lib 目录：

sudo cp -av /home/chj/Linux_tp/linux-xlnx-xlnx_rebase_v5.4/lib/* /home/chj/Linux_tp/debian96/lib/

​       然后把处理后的 debian 根文件系统复制到 EXT 分区：

sudo cp -av /home/chj/Linux_tp/debian96/* /media/chj/EXT

​       ​最后也不要忘了同步：

sudo sync

3.2.3 Debian系统测试

​       调整板卡至 SD 卡启动模式，上电启动，跟上面出现一样的问题：

​       因为上面用 Petalinux 测试了，所以这里需要把环境变量改回来：

setenv bootargs 'console=ttyPS0,115200 root=/dev/mmcblk1p2'
saveenv

​       再重新上电或者使用 u-boot 命令重启：

reset

​       后续像验证 Linux 内核一样，尝试启动镜像：

fatload mmc 1:1 2000000 image
fatload mmc 1:1 1000000 system-top.dtb
booti 0x2000000 - 0x1000000

​       最后就启动成功了：

​       就如第一篇：【ZYNQ Linux移植】1-前期准备 所说，debian 会在登录时提示默认的账号和密码，我们直接输入就可以了，不需要记住。

​       与 Petalinux 移植的系统一样，进入根目录，看看文件：

cd /
ls

​       至此，debian 系统移植完毕。

3.3 Ubuntu系统

3.3.1 获得 Ubuntu 的最小系统

​​       在第一篇：【ZYNQ Linux移植】1-前期准备 中，我们已经获取了 Ubuntu 的最小系统，这里不再赘述，没有获取的可以进去参考一下。

3.3.2 移植内核模块

​​       与前面一样，我们需要先清除掉 SD 卡中原有的文件，如果前面也尝试了移植 Debian 系统，这里 FAT 分区 内容不变即可，EXT 分区需要使用命令（**注意确保当前路径在 EXT 分区下！！！**建议直接在 EXT 分区右键打开终端）：

sudo rm -rf *

​       把内核模块复制到解压出来的 ubuntu 根文件系统的 lib 目录：

sudo cp -av /home/chj/Linux_tp/linux-xlnx-xlnx_rebase_v5.4/lib/* /home/chj/Linux_tp/ubuntu/lib/

​       然后把处理后的 ubuntu 根文件系统复制到 EXT 分区：

sudo cp -av /home/chj/Linux_tp/ubuntu/* /media/chj/EXT

​       最后也不要忘了同步：

sudo sync

3.3.3 Ubuntu系统测试

​​       调整板卡至 SD 卡启动模式，如果跟着 3.3.2 设置了环境变量，就能直接启动，如果没有，可以回去看 3.3.2 节修改相关的环境变量(bootargs)。

​       同样地，像验证 Linux 内核一样，尝试启动镜像：

fatload mmc 1:1 2000000 image
fatload mmc 1:1 1000000 system-top.dtb
booti 0x2000000 - 0x1000000

​​       最后就启动成功了：

​​       ubuntu 的话打印的 log 会少一些，默认进入的就是根目录，可以自己执行一些命令查看一下：

pwd
cd /
ls

​​       至此，ubuntu 也移植成功了。

4 自动加载内核与启动镜像

​​       大家可能会发现，我们一路下来，移植都要手动地在 u-boot 输入相关的命令才能启动 Linux，这好像与我们预想的不符，真正运用时，总不能连上串口，通过串口输命令来启动吧，下面来解决这个问题。

​​​       前面，我们已经通过修改 u-boot 的环境变量 bootargs 来修改启动的位置（根文件系统的位置），这里涉及的是另一个环境变量——bootcmd。

​​​       我们先看看默认情况下，它是什么：

​​​       结果为：run default_bootcmd，字面意思就是用默认的启动命令，其实，它是我们在第三篇：【ZYNQ Linux移植】3-u-boot移植 中创建板卡配置文件时，加在最后面的。那这个 default_bootcmd 是什么呢？不知道，我们就打印一下：

print default_bootcmd

​​​       结果为：run sdboot。

       好吧，这个我们也看不明白，继续深入：

print sdboot

       输出的内容为：

if mmcinfo; then run uenvboot; echo Copying Linux from SD to RAM... && load mmc 0 ${kernel_load_address} ${kernel_image} && bootm ${kernel_load_address}; fi

​​       解析一下就是说如果检测 SD 卡是否存在，不存在就直接退出，存在则执行 uenvboot（初始化环境），打印信息“Copying Linux from SD to RAM…” 并且从 mmc0 加载内核到内存，最后启动内核。

​​       而实际上，我们 ZYNQ 的 mmc0 一般都是配置为 EMMC 的，SD卡作为 mmc1。

​​       那做法就显而易见了，为了避免环境变量间的耦合，我们这里就直接修改 bootcmd，再保存重启即可：

setenv bootcmd 'fatload mmc 1 ${kernel_addr_r} Image; fatload mmc 1 ${fdt_addr_r} system-top.dtb; booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}'
saveenv
reset

​​       然后就会发现u-boot 已经可以自动加载内核启动系统了。

5 总结

​​       ubuntu 的话打印的 log 会少一些，默认进入的就是根目录，可以自己执行一些命令查看一下：移植根文件系统的步骤可以总结如下：

​​​       1，将 SD 卡分为 FAT 与 EXT 两个分区，前者存放启动相关文件，后者存放根文件系统；

​​       2，把编译好的 Linux 内核模块都复制到对应系统根目录的 lib 文件夹下（Petalinux不需要，相当于它帮我们做了）；

​​       3，把根文件系统完全拷贝至 EXT 分区，把 BOOT.bin 、image 和 .dtb 拷贝至 FAT 分区。

​​       4，如果需要上电 u-boot 启动后直接加载镜像与启动系统，可以对 u-boot 的环境变量 bootcmd 做一定修改。

6 参考资料

1，DeepSeeker相关搜索结果；

2，《正点原子 MPSoC-P5B之嵌入式Linux开发指南_V1.0》