Yocto ProjectによるLinuxの作成 Vol.2 ～Vivado™で設計したデザインを取り込む方法～

2024/10/30

Petalinuxをお使いのみなさま、こんにちは。
Yocto ProjectによるLinuxの作成方法の第2回目です。

今回は評価ボードBSPに対してVivado™で設計したペリフェラルを取り込む方法について紹介します。

Zynq™ MPSoC向けVivado™デザインの作成

【開発環境】

開発ツール	Vivado 2023.2
ターゲット	ZCU102評価ボード

【仕様】

FPGAに AXI_GPIO を2つ実装し、ZCU102のDip Switchからの割り込みを受けて、LEDを点滅させる。
2つの AXI_GPIO は、UIOドライバを用いたLinuxアプリケーションで制御。

FPGAデザインについては、ZCU102用ボードファイルのテンプレートを使用すれば簡単に設計できます。
プロジェクト名を “zcu102_gpio_hw” とし、Block Design名を “zcu102_axi_gpio_design” としました。

ZCU102のブロックデザイン図、AXI GPIOを使用したディップスイッチとLED構成

アドレスマップ

Generate Bitstreamを実行すればハードウェアは完成です。

ハードウェアデザインのExport

Vivadoのメニューバー「File」→「Export」→「Export Hardware」を使用します。

“Include bitstream” を選択します。

ハードウェアプラットフォームのエクスポート設定画面、ビットストリームの含有オプションが選択されている

XSAファイルの格納先はデフォルトで構いません。必要であれば「Export to」のフォルダを指定します。

ハードウェアプラットフォームのエクスポート画面、XSAファイル名と保存先ディレクトリが指定されている

本ブログの例では、zcu102_axi_gpio_design_wrapper.xsa が生成されます。

Yocto Project カスタムレイヤーの作成

前回のブログ Yocto ProjectによるLinuxの作成 Vol.1 で

左右にスクロールしてご覧ください

repo init -u https://github.com/Xilinx/yocto-manifests.git -b rel-v2023.2

によってダウンロードしたYocto Projectに対してカスタムレイヤーを作成します。
作成したカスタムレイヤーに対して、ユーザが設計したハードウェア情報を反映させます。

手順は以下のとおりです。

今回のworkディレクトリを yocto2023_2_zcu102_custom/yocto としています。
yocto2023_2_zcu102_custom ディレクトリで

左右にスクロールしてご覧ください

repo init -u https://github.com/Xilinx/yocto-manifests.git -b rel-v2023.2

を実行します。

STEP

yocto のworkディレクトリで以下の環境のセットアップを行います。

左右にスクロールしてご覧ください

$ source setupsdk

STEP

build/confs にあるファイルを以下のようにバックアップします。

左右にスクロールしてご覧ください

$ cp conf/local.conf conf/local.conf.bk
$ cp conf/bblayers.conf conf/bblayers.conf.bk

STEP

カスタムレイヤー “meta-example” を作成します。

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$ bitbake-layers create-layer $ROOT/sources/meta-example

注意

レイヤー名 mata-“xxxx” には大文字は使用しないでください。

$ROOTは setupsdk で設定されています。

yocto2023_2_zcu102_custom/sources/meta-example が生成されます。

STEP

カスタムレイヤー “meta-example” にサブ・ディレクトリを作成します。

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$ mkdir -p $ROOT/sources/meta-example/conf/machine
$ mkdir -p $ROOT/sources/meta-example/recipes-kernel/linux-xlnx
$ mkdir -p $ROOT/sources/meta-example/recipes-bsp/u-boot/u-boot-xlnx
$ mkdir -p $ROOT/sources/meta-example/recipes-bsp/device-tree/files

STEP

カスタムレイヤーをYocto Projectに登録します。

左右にスクロールしてご覧ください

$ bitbake-layers add-layer $ROOT/sources/meta-example

以上でカスタムレイヤーの作成は完了です。

カスタムレイヤーに対してハードウェアデザインの取り込み

LinuxをBuildする際に使用するMACHINEのデータを作成します。
そこにVivadoで作成したXSAファイルも取り込みます。

方法は以下のとおりです。

yocto2023_2_zcu102_custom/sources/meta-example/conf/machine に example-zcu102-zynqmp.conf ファイルを作成し
以下の内容を書き込みます。

左右にスクロールしてご覧ください

require conf/machine/zcu102-zynqmp.conf
HDF_BASE = "file://"
HDF_PATH = "/home/yocto2023_2_zcu102_custom/zcu102_hw/design_1_wrapp.xsa”

ここでカスタムデザインに対応したLinuxをBuildします。
MACHINE名は “example-zcu102-zynqmp” です。

左右にスクロールしてご覧ください

$ MACHINE=example-zcu102-zynqmp bitbake petalinux-image-minimal

Device Treeの編集

BitbakeによってXSAファイルからDevice Treeを自動生成します。
フォルダは
$ROOT/build/tmp/work/example_zcu102_zynqmp-xilinx-linux/device-tree/xilinx-v2023.2+gitAUTOINC+1a5881d004-r0/device-tree-build/device-tree
です。

今回はVivadoに AXI_GPIO を実装し、LEDを制御するようにしました。（前述のBlock Designを参照のこと）
そこで、AXI_GPIO にUIOドライバを割り当て、Linuxアプリケーションから制御できるようにします。
そのために、Device Treeを編集します。

方法は以下のとおりです。

STEP

$ROOT/sources/meta-example/recipes-bsp/device-tree/device-tree.bbappend を作成し
以下の内容を記述します。

左右にスクロールしてご覧ください

FILESEXTRAPATHS:prepend := "${THISDIR}/files:"   
 
SYSTEM_USER_DTSI ?= "system-user.dtsi"
 
SRC_URI:append = " file://${SYSTEM_USER_DTSI}"
 
do_configure:append() {
  cp ${WORKDIR}/${SYSTEM_USER_DTSI} ${B}/device-tree
  echo "/include/ \"${SYSTEM_USER_DTSI}\"" >> ${B}/device-tree/system-top.dts
}

注意

上記の FILESEXTRAPATHS:prepend := "${THISDIR}/files:" の行頭にスペースが入るとエラーになります。

STEP

$ROOT/sources/meta-example/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi を作成し
以下の内容を記述します。

左右にスクロールしてご覧ください

/ {
    chosen {
	bootargs = "earlycon clk_ignore_unused   uio_pdrv_genirq.of_id=generic-uio";
	stdout-path = "serial0:115200n8";
    };
};

&axi_gpio_0 {
    compatible = "generic-uio";　　<<== axi_gpio に対してUIOドライバを指定する
};

LinuxのBuild

Device Treeを反映させたLinuxをBuildします。

左右にスクロールしてご覧ください

$ MACHINE=example-zcu102-zynqmp bitbake petalinux-image-minimal

$ROOT/build/tmp/work/example_zcu104_zynqmp-xilinx-linux/device-tree/xilinx-v2023.2+gitAUTOINC+1a5881d004-r0/device-tree-build/device-tree/ に system-user.dtsi が反映されます。

Build結果の確認

Yocto ProjectによるLinuxの作成 Vol.1 でご案内しましたように、QEMUを使って AXI_GPIO にUIOドライバのノードが生成されることを確認します。

STEP

QEMUによってLinuxを起動します。

左右にスクロールしてご覧ください

$ MACHINE=example-zcu102-zynqmp runqemu qemuparams='-serial mon:stdio' petalinux-image-minimal

起動は Yocto ProjectによるLinuxの作成 Vol.1 で示したようなログで正常に行われます。

STEP

UIOドライバの様子を確認します。

左右にスクロールしてご覧ください

example-zcu104-zynqmp:/sys/class/uio$ ls
　　　uio0  uio1  uio2  uio3  uio4
example-zcu104-zynqmp:/sys/class/uio$ cat uio4/name
　　　gpio   <<== axi_gpio を指している
example-zcu104-zynqmp:/sys/class/uio$