CN115408013A - Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法 - Google Patents

Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法，包括：编译得到内核Image.ub文件、BOOT.bin文件和根文件系统，制作Linux系统启动卡，设置根文件系统存放在启动卡的第二分区；利用启动卡备份已经完成Linux驱动程序、PS和PL程序及相关Linux系统应用软件开发的Zynq UltraScale+MPSoC平台内部存储器的分区内容；编写用于内部存储器分区、格式化和文件输入的脚本；编写固件升级状态灯控制程序，用于指示固件烧写过程及烧写完成结果的状态；更改启动卡的第二分区目录文件，增加调用脚本的启动项；将得到的启动卡用于Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的固件烧写或固件升级。本发明提高了固件烧写过程的自动化程度，简化了固件烧写过程，提高了固件烧写操作的可靠性和效率。

Description

Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法
技术领域
本发明属于计算机烧录领域，具体涉及一种Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法。
背景技术
目前Zynq UltraScale+MPSoC平台，应用广泛，其内置的ARM+FPGA架构，能够很方便的进行一些轻量化，小型化，低功耗，接口复杂的嵌入式系统应用开发，但官方提供的固件更新和烧写过程较为复杂繁琐，特别是开发完一款基于Zynq UltraScale+MPSoC平台的嵌入式固件系统，也很难原封不动的移植到另一个需要量产的Zynq UltraScale+MPSoC平台产品上。如何快速移植Zynq UltraScale+MPSoC平台镜像和启动文件到量产设备上成为了越来越重要的问题。
目前，Zynq UltraScale+MPSoC平台的启动以EMMC方式居多，该启动方式优于TF卡启动方式是因为能避免TF读写速度低，工作温度范围小，以及接触不牢靠的问题，这也是为什么手机厂商慢慢摒弃掉TF卡外部存储设备转而使用EMMC存储的原因。
现有技术的更新EMMC文件系统的方法包括：
USB OTG功能+配套的上位机刷机工具进行嵌入式设备的EMMC固件更新方法，目前大部分手机的嵌入式固件和文件系统烧写更新都是使用这种方法。缺点是必须人全程参与，必须通过电脑刷机软件操作，必须使用到电脑和相关连接线缆等。
云端无线固件更新方法，通过WIFI连接到远程服务端进行固件更新。目前这种方法速度较慢，受制于网络状态，且容易出现网络中断等不可控因素，且要维护云端固件库和云端服务程序，费用高，维护难，不适于用于量产烧写工作。
利用上位机安装Linux虚拟机，并利用Linux虚拟机的开发环境对ZynqUltraScale+MPSoC平台开发环境里面的固件和文件系统进行开发和定制，然后通过网络NFS或者TFTP的方式对Zynq UltraScale+MPSoC平台进行升级烧写的方法，该方法用到uboot的地方较多，手动输入指令过程较为繁琐、易出错，且Linux虚拟机和网络传输协议和环境搭建较为复杂。
传统的TF卡方式启动ZYNQ平台并利用TF访问EMMC空间再进行相关操作的方法，该方法需要借助TF卡启动嵌入式平台，然后利用电脑进入TF卡启动系统终端对EMMC空间进行相关操作，每次操作都需要手动输入指令，人为出错的可能性增大。
因此，研究一种自动烧写Zynq UltraScale+MPSoC嵌入式平台设备固件及Linux文件系统的方法，用于烧写包含Linux内核引导文件U-Boot，Linux内核文件，设备树文件，PS+PL应用程序以及文件系统和基于文件系统开发的上位机程序等文件。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法，用于对量产Zynq UltraScale+MPSoC平台产品进行固件和文件系统的自动烧写或固件升级，代替人工，提高烧操作的可靠性和效率，确保烧写环节高效、快速、稳定、无差错。
本发明的技术方案是Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法，包括以下步骤：
步骤1：利用PetaLinux工具编译Zynq UltraScale+MPSoC平台的Linux源码，得到内核Image.ub文件、BOOT.bin文件和根文件系统，利用这些文件制作Linux系统启动卡，设置根文件系统存放在启动卡的第二分区；
步骤2：利用启动卡备份已经完成Linux驱动程序、PS和PL程序及相关Linux系统应用软件开发的Zynq UltraScale+MPSoC平台内部存储器的分区内容；
步骤3：编写用于Zynq UltraScale+MPSoC平台内部存储器分区、格式化和文件输入的脚本；
步骤4：编写固件升级状态指示灯控制程序，用于指示固件烧写过程及烧写完成结果的状态；
步骤5：更改启动卡的第二分区目录/etc/rc.local文件，增加调用步骤3得到的脚本的启动项；
步骤6：将步骤5得到的启动卡用于Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的固件烧写或固件升级，将启动卡与Zynq UltraScale+MPSoC平台产品连接并上电，等待固件升级状态灯变为常亮状态，即表示已完成固件烧写或固件升级过程。
进一步地，步骤1具体包括：
1)petalinux-config配置过程，
配置uboot启动的环境变量console、root、maxcpus、rootfstype；
其中root＝/dev/mmcblk1p2，表示设置根文件系统存放在启动卡的第二分区；
2)petalinux-build编译过程，
该过程编译Linux内核，用于生成Image.ub文件和根文件系统rootfs.tar.gz文件；
3)petalinux-pack打包过程，
该过程打包用户程序，包括PL端ZYNQ的逻辑程序及uboot程序到BOOT.bin文件中，该文件用于启动FPGA的逻辑代码；并运行Linux内核的引导文件uboot，实现ZynqUltraScale+MPSoC平台的PL+PS端同时协作运行启动过程；
4)对启动卡分区并格式化，
利用Linux下的分区工具fdisk对启示卡进行分区，第一分区使用mkfs.fat格式化为fat格式，分区大小为200MBytes，剩余容量全部作为第二分区，使用mkfs.ext4将第二分区格式化为ext4格式；
5)写入文件到启动卡，
在Ubuntu虚拟机开发环境中，挂载启动卡到虚拟机当中，从虚拟机中拷贝上述操作过程中生成的BOOT.bin、Image.ub和boot.scr到启动卡的第一分区，解压rootfs.tar.gz文件到启动卡的第二分区中；
6)运行sync，完成启动卡制作。
步骤2完成后，启动卡的根目录下包括EMMC_boot.tar.gz文件和EMMC_rootfs.tar.gz文件，其中EMMC_boot.tar.gz为启动固件，EMMC_rootfs.tar.gz为根文件系统。
优选地，步骤3中的脚本执行时，首先将Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的内部存储器分成2个分区，其中第一分区是内部存储器的BOOT分区，第二分区是内部存储器的ROOTFS分区；然后，自动解压启动卡上备份的EMMC_boot.tar.gz文件到内部存储器的第一分区，解压EMMC_rootfs.tar.gz到内部存储器的第二分区。
优选地，所述固件升级状态灯控制程序嵌入到脚本程序中，脚本程序开始执行时，将指示灯设置为关闭状态，脚本程序执行到内部存储器分区环节时，将指标灯设置为闪烁状态，用于提示正在操作内部存储器；完成对内部存储器的文件写入后，将指标灯设置为常亮状态，用于提示用户已完成烧写过程，可断电。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：
1)本发明实现了将Linux内核引导文件U-Boot、Linux内核文件、设备树文件和PS、PL应用程序以及文件系统和基于文件系统开发的上位机程序等文件自动烧写到ZynqUltraScale+MPSoC嵌入式平台产品的内部存储器中，相比现有的该平台产品的烧写方法，提高了烧写过程的自动化程度，简化了固件烧写过程，显著减少了固件烧写操作的工作量，提高了固件烧写操作的可靠性和效率；本发明的固件和文件系统烧写过程中无需电脑参与，无需线缆连接，可大量减少人工参与和重复劳动，大大降低人机协同出错的可能性；
2)本发明的方法利用启动卡更新Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的系统固件，且实现了对Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的操作过程全自动，无需人为干预；
3)本发明的方法将已完成开发的Zynq UltraScale+MPSoC定制版固件通过启动卡进行备份，备份后用于批量的量产烧写，代替重复的人工操作，大幅度提高量产的ZynqUltraScale+MPSoC平台产品的固件烧写或固件升级的效率；
4)本发明的方法利用指示灯向用户提示产品的固件烧写或固件升级过程的进度、状态，指示灯常亮表明已完成固件烧写过程，指示灯闪烁表示正处于固件烧写的存储操作过程中，提醒用户此过程不能断电，代替复杂的人机交互过程，方便实用；
5)本发明的方法将Zynq UltraScale+MPSoC平台产品内部存储器作为一个独立的硬盘挂载在在启动卡引导的Linux系统下，实现了对Zynq UltraScale+MPSoC平台产品内部存储器的任意修改和备份工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的固件和文件自动烧写方法的流程示意图。
图2a为本发明实施例的Petalinux工具的Kernel Bootargs配置界面的示意图。
图2b为本发明实施例的Petalinux工具的Image Packaging Configuration配置界面的示意图。
图3为本发明实施例的启动卡的目录文件的示意图。
图4为本发明实施例的用于EMMC分区、格式化、文件输入的脚本程序的示意图。
图5为本发明实施例的指示灯控制程序的示意图。
图6为包含嵌入的指示灯控制程序的脚本程序的示意图。
具体实施方式
实施例中Zynq UltraScale+MPSoC嵌入式平台产品的内部存储器选用嵌入式多媒体卡(Embedded Multi Media Card，EMMC)，并采用TF卡制作启动卡。
Zynq UltraScale+MPSoC嵌入式平台，相比第一代ARM+FPGA双核芯片Zynq-7000，这款SoC功能、性能提升更加显著，且具备更加丰富的外围接口资源和启动方式，如ZU2EG,ZU3EG,ZU4EV等都是带有多种启动引导方式的，其中较为常见的是EMMC启动方式、QFLASH启动方式、USB外部存储卡启动方式和TF/SD卡启动方式等，但是较为常用的是EMMC引导方式去启动嵌入式系统，而本实施例中利用TF卡引导启动Zynq UltraScale+MPSoC嵌入式平台，并备份和烧写EMMC硬件固件和文件系统。
如图1所示，Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法，包括以下步骤：
①利用PetaLinux工具编译Zynq UltraScale+MPSoC平台Linux源码，得到内核Image.ub文件，BOOT.bin文件和根文件系统等，利用这些文件制作基于TF卡的Linux系统启动卡，具体过程如下：
1)petalinux-config配置的过程
如图2a所示，配置uboot启动的几个重要的环境变量：
console＝ttyPS0,115200；
root＝/dev/mmcblk1p2；
maxcpus＝4rw earlyprintk；
rootfstype＝ext4 rootwait
在Zynq UltraScale+MPSoC平台中，默认EMMC设备节点是/dev/mmcblk0，TF设备节点是/dev/mmcblk1。
修改配置文件，让内核可以从TF卡的第二分区找到根文件系统，如图2b所示，其中root＝/dev/mmcblk1p2表示的是设置根文件系统是存放在TF卡的第二分区。
2)petalinux-build编译的过程
该过程主要是编译Linux内核的过程，主要用于生成Image.ub文件,且能生成一个官方的根文件系统rootfs.tar.gz文件。
3)petalinux-pack打包的过程
该过程主要是打包用户程序，包括PL端ZYNQ的逻辑程序及uboot程序到BOOT.bin文件中，该文件用于启动FPGA的逻辑代码，并运行Linux内核的引导文件uboot。从而实现Zynq UltraScale+MPSoC平台的PL+PS端同同时协作运行启动过程。
4)利用Linux下的分区工具fdisk对TF卡进行分区，准备一张容量大于等于16G的TF卡，第一分区使用mkfs.fat格式化为fat格式，分区大小为200MBytes，剩余容量全部作为第二分区，使用mkfs.ext4将第二分区格式化为ext4格式。
5)在Ubuntu虚拟机开发环境中，主机使用USB读卡器插入TF卡，挂载TF卡到虚拟机当中，从虚拟机中拷贝上述操作中生成的BOOT.bin、Image.ub和boot.scr到TF卡的第一分区，解压rootfs.tar.gz文件到第二分区中。
6)运行sync，确保TF卡文件已经完整写入。
至此，完成了步骤①。
②利用启动TF卡备份已经完成Linux驱动程序、PS+PL程序开发及相关Linux系统应用软件开发的Zynq UltraScale+MPSoC平台EMMC各分区内容；
在步骤①中已经制作好了启动卡，可以利用该TF启动卡启动UltraScale+平台，并且烧写EMMC固件和文件系统，但是这种根据官方提供的方式更新的固件只能是出厂固件。无法满足量产需求。量产的固件和文件系统包含了程序员所做的大量的修改和编译工作，包含了很多Linux软件在线安装，编写和环境配置等工作。如果仅仅以这种方式更新EMMC固件，后续还有大量的工作需要做。
因此，需要备份最新的固件和文件系统到TF卡当中。
实施例中使用的方法是备份一份已经完成固件和文件系统开发工作的UltraScale+平台EMMC存储器中的文件到TF卡，后续依据这个备份去烧写需要量产的UltraScale+平台机器，具体过程如下：
1)插卡，利用TF卡启动该UltraScale+平台；
2)挂载EMMC两个分区到/mnt/1和/mnt/2：
mount/dev/mmcblk0p1/mnt/1
mount/dev/mmcblk0p2/mnt/2
3)压缩并保存所有EMMC分区的内容：
cd/mnt/1&&tar-cvf./*/EMMC_boot.tar.gz
cd/mnt/2&&tar-cvf./*/EMMC_rootfs.tar.gz
至此，在TF卡的根目录得到两个重要的文件EMMC_boot.tar.gz和EMMC_rootfs.tar.gz，他们分别是启动固件和根文件系统。
得到一张能启动Zynq UltraScale+MPSoC平台且含有Zynq UltraScale+MPSoC平台EMMC备份的TF卡，该卡的目录文件如图3所示。
③编写脚本make_emmc_system.sh，用于Zynq UltraScale+MPSoC平台的EMMC分区，格式化，文件输入等工作。
实施例中的脚本make_emmc_system.sh如图4所示，实施例中脚本程序选择要格式化的EMMC设备为mmcblk0；
脚本make_emmc_system.sh将EMMC设备分成2个分区，其中第一分区是EMMC的BOOT分区，第二分区是EMMC的ROOTFS分区；第一分区是fat格式，第二分区是ext4格式。该脚本程序自动解压TF卡上备份的EMMC_boot.tar.gz文件到EMMC的第一分区，自动解压EMMC_rootfs.tar.gz到EMMC的第二分区。
④编写固件升级状态指示灯控制程序用于指示升级过程及升级完成结果的状态；
该指示灯控制程序嵌入到脚本程序make_emmc_system.sh当中，被其调用使用，实时反馈出固件烧写过程的状态。
使用PetaLinux生成的设备树中含有GPIO控制的驱动程序，通过设备树将以下GPIO控制相关的设备树选中，并编译内核，生成的Linux内核将含有GPIO的Linux驱动程序。
Figure BDA0003794095190000071
通过TF卡启动之后，使用ls/sys/class/gpio：
export gpiochip338 unexport
这里的gpiochip338，加上管脚PS_led在此组中的偏移值40，即实际要操作的管脚。
编写驱动程序myledstatus.c打开这个设备节点，然后传入相应的参数让其关闭、闪烁或者常亮，如图5所示。
在ZYNQ开发平台交叉编译myledstatus.c，得到led_process_status的可执行文件
aarch64-linux-gnu-gcc-o led_process_status myledstatus.c；
其中使用命令sudo./led_process_status＝off使状态指示灯关闭，使用命令sudo./led_process_status＝flash使状态灯闪烁；使用命令sudo./led_process_status＝on使状态指示灯常亮。
将这个程序嵌入到make_emmc_system.sh中，如图6所示，就具备LED控制和显示的指示功能，最终会在更新EMMC固件和文件系统的时候，做出相应的状态指示；
开始执行脚本make_emmc_system.sh的时候，初始化指示灯控制，并将指示灯设置为关闭状态，进入到EMMC分区环节，立马将指示灯设置为闪烁状态，用于提示用户，此时正在操作EMMC；当EMMC完成了操作之后，执行指示灯常亮操作。完成整个EMMC的烧写过程，可以断电。
⑤更改TF卡第二分区目录/etc/rc.local文件，增加调用make_emmc_system.sh的启动项：
在/root新建目录EMMC_update:
sudo mkdir EMMC_update
将脚本make_emmc_system.sh和程序led_process_status放到该目录中，添加可执行权限：
sudo cp make_emmc_system.sh led_process_status/root/EMMC_update
cd/root/EMMC_update
chmod+x make_emmc_system.sh led_process_status
然后在/etc/rc.local里面的最后一行添加如下代码：
sudo/root/EMMC_update/make_emmc_system.sh
这样每次开机，以TF卡启动，就能从TF卡的系统中直接启动EMMC烧写程序，自动完成整个烧写过程。
至此，得到一张用于量产自动更新Zynq UltraScale+MPSoC平台EMMC系统的TF卡。
⑥将步骤⑤得到的TF卡用于Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的固件烧写或固件升级，将启动卡与Zynq UltraScale+MPSoC平台产品连接并上电，等待固件升级状态灯变为常亮状态，即表示已完成固件烧写或固件升级过程。
针对需要量产的Zynq UltraScale+MPSoC平台设备，可以做到无需电脑，相关线缆和研发人员参与。整个过程只需在Zynq UltraScale+MPSoC平台插入该TF卡，拨码开关拨到TF卡启动模式并上电，然后等待指示灯由闪烁状态变为常亮状态即表示升级成功。
本发明的方法升级过的Zynq UltraScale+MPSoC平台，将保留PL+PS程序，多核CPU程序，LINUX驱动程序，LINUX软件应用程序，和相关的根文件配置等。
本发明的方法针对EMMC的第一分区fat分区和第二分区ext4分区实现了全面的擦除和写入工作，能够做到FPGA的逻辑代码固件、Linux内核固件、Linux应用程序自动备份与烧写工作。

Claims (5)

1.Zynq UltraScale+MPSoC平台的固件和文件自动烧写方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：编译Zynq UltraScale+ MPSoC 平台的Linux源码，得到内核Image.ub文件、BOOT.bin文件和根文件系统，利用这些文件制作Linux系统启动卡，设置根文件系统存放在启动卡的第二分区；
步骤2：利用启动卡备份已经完成Linux驱动程序、PS和PL程序及相关Linux系统应用软件开发的Zynq UltraScale+ MPSoC平台内部存储器的分区内容；
步骤3：编写用于Zynq UltraScale+ MPSoC平台内部存储器分区、格式化和文件输入的脚本；
步骤4：编写固件升级状态灯控制程序，用于指示固件烧写过程及烧写完成结果的状态；
步骤5：更改启动卡的第二分区目录文件，增加调用步骤3得到的脚本的启动项；
步骤6：将步骤5得到的启动卡用于Zynq UltraScale+MPSoC平台产品的固件烧写或固件升级，将启动卡与Zynq UltraScale+MPSoC平台产品连接并上电，等待固件升级状态灯由闪烁变为常亮状态，即表示已完成固件烧写或固件升级过程。
2.根据权利要求1所述的固件和文件自动烧写方法，其特征在于，步骤1采用PetaLinux工具进行编译并制作启动卡，具体包括：
1）petalinux-config 配置过程，
配置uboot启动的环境变量console、root、maxcpus、rootfstype；
其中root=/dev/mmcblk1p2，表示设置根文件系统存放在启动卡的第二分区；
2）petalinux-build 编译过程，
该过程编译Linux内核，用于生成Image.ub文件和根文件系统rootfs.tar.gz文件；
3）petalinux-pack 打包过程，
该过程打包用户程序，包括PL端ZYNQ的逻辑程序及uboot程序到BOOT.bin文件中，该文件用于启动FPGA的逻辑代码；并运行Linux内核的引导文件uboot，实现Zynq UltraScale+MPSoC平台的PL+PS端同时协作运行启动过程；
4）对启动卡分区并格式化，
利用Linux下的分区工具fdisk对启示卡进行分区，第一分区使用mkfs.fat格式化为fat格式，分区大小为200MBytes，剩余容量全部作为第二分区，使用mkfs.ext4将第二分区格式化为ext4格式；
5）写入文件到启动卡，
在Ubuntu虚拟机开发环境中，挂载启动卡到虚拟机当中，从虚拟机中拷贝上述操作过程中生成的BOOT.bin、Image.ub和boot.scr到启动卡的第一分区，解压rootfs.tar.gz文件到启动卡的第二分区中；
6）运行sync，保证文件完成同步写入，完成启动卡制作。
3.根据权利要求2所述的固件和文件自动烧写方法，其特征在于，步骤2完成后，启动卡的根目录下包括EMMC_boot.tar.gz文件和EMMC_rootfs.tar.gz文件，其中EMMC_boot.tar.gz为启动固件，EMMC_rootfs.tar.gz为根文件系统。
4.根据权利要求3所述的固件和文件自动烧写方法，其特征在于，步骤3中的脚本执行时，首先将Zynq UltraScale+ MPSoC平台产品的内部存储器分成2个分区，其中第一分区是内部存储器的BOOT分区，第二分区是内部存储器的ROOTFS分区；然后，自动解压启动卡上备份的EMMC_boot.tar.gz文件到内部存储器的第一分区，解压EMMC_rootfs.tar.gz到内部存储器的第二分区。
5.根据权利要求4所述的固件和文件自动烧写方法，其特征在于，所述固件升级状态灯控制程序嵌入到脚本程序中，脚本程序开始执行时，将指示灯设置为关闭状态，脚本程序执行到内部存储器分区环节时，将指标灯设置为闪烁状态，用于提示正在操作内部存储器；完成对内部存储器的文件写入后，将指标灯设置为常亮状态，用于提示用户已完成烧写过程，可断电。
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CN115795418A (zh) * 2023-01-17 2023-03-14 泉州艾奇科技有限公司 水印嵌入方法、装置、计算机、存储介质及程序产品
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