如何使用 PetaLinux：從 XSA 到在 Zynq 上開發您的第一個 Linux 應用程式

最後更新： 27/10/2025
作者： 艾薩克
  • PetaLinux 提供了一個核心、裝置樹和根檔案系統，可在 Zynq/ZynqMP 上進行自訂。
  • 實際工作流程結合了 Vivado (XSA)、PetaLinux (鏡像) 和 Vitis/SDK (應用程式)。
  • 設備樹反映了 Vivado 中定義的位址和中斷映射。
  • UIO/驅動程式方便對IP的存取；FPGA管理器簡化PL迭代。

PetaLinux Zynq 和 ZynqMP 指南

如果您在使用 PetaLinux 時遇到困難，別擔心：您並不孤單。它的學習曲線確實比較陡峭，但您可以清楚地了解 Vivado、PetaLinux 和 Vitis 如何協同工作，以及每個組件的作用。在這裡，您將找到實用且​​條理清晰的解釋，幫助您從 Vivado 設計過渡到在 Zynq 或 Zynq UltraScale+ 上運行您的第一個Linux應用程序，而不會感到不知所措。

很多人都想知道是否可以完全在 Vitis 中「生存」。你需要 PetaLinux 來提供核心、裝置樹和根檔案系統。在實際系統中，典型的開發流程是：在 Vivado 中產生 .xsa 文件，建立並配置 PetaLinux 專案（有時基於 BSP），編譯並包裝鏡像（SD 卡使用 WIC），然後匯出系統根目錄，以便在 Vitis 中或使用外部工具鏈開發應用程式。稍後，我將解釋其他方案、避免無休止重建的技巧，以及 FPGA 管理器或 TCF Agent 等工具的使用方法。

PetaLinux是什麼？它預設包含哪些內容？

PetaLinux 是 AMD 為其 SoC 和 MPSoC 設計的參考發行版，提供了一個可隨時自訂的 Linux 環境，其中包含最佳化的引導程式和核心、程式庫和實用程式、C/C++ 支援以及除錯工具。它還包括線程選項、FPU 支援以及用於輕鬆進行網路和韌體配置的基於 Web 的管理伺服器。

官方 BSP 通常包含預製的啟動鏡像和配置鏡像。您可以將這些二進位檔案部署並運行在真實硬體上，或在 PetaLinux 自帶的完整系統模擬器 QEMU 中運行。這可以加快初始測試速度，非常適合在開始開發應用程式或驅動程式之前驗證專案是否能夠啟動。

推薦的硬體-軟體工作流程

在專業環境中，Linux 工作流程有兩個版本：一個版本專注於PetaLinux命令行，另一個版本則整合了 Vitis 用於應用程式開發，產生 .xsa 文件，並在適用情況下產生位元流。

Vitis 能完成所有工作嗎？對 Linux 來說，答案是否定的。 Vitis非常適合建立需要自訂核心、裝置樹和根檔案系統的平台。通常的做法是：使用 PetaLinux 建置系統並匯出 SDK/sysroot；然後使用 Vitis 或外部工具鏈來編譯和偵錯應用程式。

從 XSA 到啟動系統

最簡可行流程通常如下：在 Vivado 中產生 .xsa 文件，使用 petalinux-create 建立專案（或從 BSP 開始），使用該 .xsa 檔案更新 PetaLinux 中的硬件，並調整配置（核心、裝置樹和根檔案系統）。然後編譯、打包成 .wic 格式，並燒錄到 SD 卡。

  了解如何在不可見的情況下學習 Facebook 訊息

系統啟動後，就可以新增應用程式了。首先從 PetaLinux 匯出 sysroot/SDK，然後在 Vitis 中根據 .xsa 檔案建立一個平台。接下來，產生指向 sysroot 的 C/C++ 應用程式項目，以便正確連結根檔案系統庫。最後，使用 tcf-agent、gdbserver 或您偏好的方法在目標系統上執行該應用程式。

一個實際應用中的小提示：Vivado/Vitis/PetaLinux 版本之間存在一些問題。例如，Vitis Unified 2023.2 版本曾報告無法連接到 tcf-agent，而快速解決方法是升級到 2024.1 版本。務必查看版本說明，如果可能，請在專案進行過程中凍結您的工具堆疊。

Vivado硬體設計（Zynq-7000和Zynq UltraScale+）

您的技術基礎是 Vivado 的 Block Design 模組。新增「ZYNQ7 處理系統」模組（或 ZynqMP 中的等效模組），然後執行「運行模組自動化」來連接 DRAM 和時脈。之後，根據需要進行調整。

  • 啟用外部中斷：在 PS 自訂設定中，如果您打算在 PL 週邊之間共用 IRQ 線，請啟動 PS-PL 中斷和共用中斷。
  • 同步時脈：常見的做法是將 FCLK_CLK0 連接到 M_AXI_GP0_ACLK 端口，以便 AXI 匯流排時脈與 PS 時脈保持一致。

使用 PL IP 時，請依賴自動化功能。運行連接自動化功能可以建立 AXI 互連和仲裁，但請注意：它不會連接中斷或所有時脈樹。對於 IRQ，請使用連接區塊並將其輸出路由到 PS。

  • 將外圍 IP 的每個 IRQ 線連接到 Concat 區塊。
  • 將 Concat 輸出連接到 PS 中斷輸入。

如果PL需要高速記憶體，請新增BRAM。插入BRAM控制器和區塊記憶體產生器，定義連接埠數、寬度和容量，並且非常重要的是，在位址編輯器中檢查其映射關係。

  • 檢查並調整位址映射：不能有任何範圍重疊；如果存在重疊，Vivado 會將衝突標記為紅色。
  • 考慮其他主處理器（例如，程式邏輯單元中的協處理器）。分配地址是防止綜合失敗的必要步驟。

為了最終完成設計，請為 .bd 檔案建立 HDL 封裝，對其進行綜合和實作。生成比特流可能需要一些時間，完成後，導出硬件，如果您希望從啟動時對 PL 進行編程，則需要導出相應的位。

一些實用技巧：例如，如果您要使用 PYNQ 擴充板，那麼透過 EMIO 將 PS 訊號暴露給 PL以支援 GPIO 或 I2C 就非常實用。需要注意的是，整合週邊裝置通常硬連線到裝置上的固定引腳，而且並非總能在不更改連接的情況下用底層 IP 取代它們。如果實現失敗，請檢查限制（XDC）和分配​​情況。

  如何在 Discord 上建立和管理伺服器

設備樹和硬體映射

最關鍵的問題是：Linux 對使用者的抽象程度有多高？設備樹 (DTS)描述了設備位址、中斷請求 (IRQ) 和相容性。除非使用覆蓋層 (overlay)，否則這種映射在啟動時並非「動態」的；它通常是靜態的，源自 Vivado 的位址編輯器和 PetaLinux 產生的 DTS。

控制部分（暫存器）和資料部分（例如，DMA 存取）在概念上和物理上都應該分離。使用“reg”範圍和中斷線。驅動程式（或 UIO）將使用此資訊來映射記憶體和中斷邏輯。範圍的大小和對齊方式必須與您在 Vivado 中定義的一致。

如果使用 PetaLinux 進行編譯，DTS 片段通常會從 .xsa 檔案自動產生。當硬體發生變更（例如新的 IP 位址）時，請更新 .xsa 文件，並至少重新建置裝置樹和核心。 rootfs 檔案並非總是需要更改，因此如果使用者庫未修改，sysroot 檔案仍然可以正常運作。

從 C/C++ 存取硬體的選項

沒有唯一的方法；請根據專案的階段以及您願意投入到驅動程式方面的精力來選擇。 /dev/mem用於MMIO映射，但由於安全性、可移植性和潛在的中斷問題，不建議在生產環境中使用。

一個折衷方案：UIO（使用者空間 I/O）可讓您將 IP 區域對應到使用者空間，並使用選擇/輪詢方式處理中斷。它需要將 UIO 節點添加到設備樹中，但避免了編寫完整的驅動程式。

專業方案是為您的IP建立字元驅動程式或平台驅動程式。字元驅動程式可以讓您精細控制DMA、IRQ、電源，並在/dev目錄下提供穩定的接口，同時還能更好地與核心生態系統整合。如果您的IP使用AXI-DMA或標準框架，則可以使用現有的驅動程式。

關於工具鏈：您可以使用 Vitis 或使用 PetaLinux 匯出的 SDK 進行編譯。執行 `petalinux-build --sdk`並將您的專案連結到該系統根目錄，以確保您連結到與目標根檔案系統中相同的庫。 Vitis 簡化了從 .xsa 檔案建置平台和啟動遠端偵錯的過程。

調試和遠端執行

要在目標系統上運行應用程序，您有多種選擇。如果tcf-agent已安裝在根檔案系統中（可透過 petalinux-config -c rootfs 新增），且不存在版本衝突，則 tcf-agent 非常適合從 Vitis 啟動和偵錯應用程式。

或者，gdbserver簡單易用且功能強大。您只需將二進位檔案複製到目標位置，執行 `gdbserver :port ./yourapp`，然後使用支援多架構的 gdb 從主機連線即可。許多團隊會將 gdbserver 與 VS Code Remote 或Python腳本結合。

  6 個徹底刪除檔案的程序

除了 printf 函數之外，還可以了解核心效能分析和追蹤技術。 Zynq社群分享了一些高效調試的最佳實踐，可以幫助您在遇到不明顯的 bug 時節省時間。

無需重建所有系統即可升級硬件

人們通常會認為修改 PL 檔案需要“重做一切”，但實際上並非如此。核心可見的介面（位址、中斷請求、相容性）、根檔案系統和系統根目錄通常保持不變。在這種情況下，您可以重新編寫 PL 文件，一切就緒。

為了按需載入位元流，Linux 提供了 FPGA 管理器框架 ( fpgautil)或 sysfs/configfs 接口，用於從用戶空間對 FPGA 進行程式設計。這避免了重新產生整個映像，並加快了邏輯迭代速度。

如果硬體變更引入了新的 IP 位址或修改了 IP 位址範圍/中斷要求 (IRQ)，那麼是的：需要重建設備樹並重新產生 BOOT.BIN/鏡像。即便如此，也應該使用狀態快取 (sstate cache) 來防止編譯過程重複執行已完成的任務。

加快建造速度並提高穩定性的技巧

避免「一切重來」的最佳方法是快取和組織。使用 sstate 鏡像和 Yocto/PetaLinux 的共享下載目錄；這可以避免重複編譯未更改的軟體包。這對於大型系統和內部環境來說至關重要。

保持可複現性：固定 Vivado/Vitis/PetaLinux 版本並記錄補丁。盡可能避免在專案進行過程中變更版本，除非是已確認的嚴重錯誤。在切換到新版本之前，請在分支上進行測試。

QEMU 是你的好幫手。在 QEMU 中啟動鏡像，無需刷寫 SD 卡即可驗證根檔案系統和核心是否正常運作。它不會替換實際硬件，但可以節省啟動次數。

綜上所述，整個過程不再像拼圖遊戲那麼複雜。 Vivado提供了一個完整的參考發行版（包括引導程式、核心、根檔案系統和工具），用於定義實體映射，而 Vitis 則加速了應用程式的開發和調試週期。在此基礎上，如何利用設備樹、UIO 或驅動程序，決定了應用程式是從簡單的“Hello World”程序發展成為能夠無縫利用硬體資源的強大應用。