Xilinx ZYNQ平台下构建Linux + Xenomai实时操作系统

前言

Xenomai是一种采用双内核机制的Linux 内核的强实时扩展。由于Linux 内核本身的实现方式和复杂度，使得Linux 本身不能使用于强实时应用。在双内核技术下，存在一个支持强实时的微内核，它与Linux 内核共同运行于硬件平台上，实时内核的优先级高于Linux 内核，它负责处理系统的实时任务，而Linux 则负责处理非实时任务，只有当实时内核不再有实时任务需要处理的时候，Linux内核才能得到运行的机会。所以Xenomai与传统Linux组成双内核以弥补Linux实时性差的缺陷。

准备内容

Linux源码：
Linux-4.9.24版本，下载地址：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/snapshot/linux-2f5e58ec793f56f9ac1c6736b4638a4b81d6f099.tar.gz

Xenomai源码：
xenomai-3.0.5版本，下载地址：https://gitlab.denx.de/Xenomai/xenomai/-/archive/master/xenomai-master.zip

3.0.5不是最新版本，读者可以尝试最新版本的xenomai。Xenomail官网：http://www.cs.ru.nl/lab/xenomai/

Ipipe补丁：
ipipe-core-4.9.24版本，下载地址：https://xenomai.org/downloads/ipipe/v4.x/arm/older/

打补丁是系统移植的关键点，所以Ipipe补丁最好与Linux版本号对应，我们在构建的过程中遇到的问题就会少很多。

开发板：
本次移植是基于创龙zynq7020开发板（ARM A9双核+FPGA），但是本教程也适用zynq7000系列的板子，可能某些操作不太一样，这就需要大家来验证了。

除了以上所必须的所需条件外，我们还需要安装Petalinux，（Petalinux是Xilinx公司推出的嵌入式Linux开发工具），这里不在详述Petalinux的安装，请读者自行解决。

以上内容都准好之后，我们就可以进行系统移植了。

在移植之前还要说一点，最好用开发板提供的liunx版本上构建xenomai，这样你就可以省去很多麻烦，比如U-BOOT.BIN文件、devicetree.dtb文件、根文件系统都不需要更新，只需要更新zImage文件就可以，但是前提你能找到和linux源码相对应的补丁。

给Linux源码打补丁

第一步Linux和xenomai源码解压
将他们解压到同一个文件夹中

tar -xzvf linux-xlnx-4.9.24.tar.gz
unzip xenomai-3.0.5.zip

同时我们在这个文件夹下建立一个patch文件夹来存放补丁，并把补丁拷贝进去

至此这个文件夹中有linux-xlnx-4.9.24、xenomai-3.0.5、patch三个文件夹

第二步开始打补丁

先进入xenomai源码目录，再打补丁

./scripts/prepare-kernel.sh --arch=arm --ipipe=../patch/ipipe-core-4.9.24-arm-2.patch --linux=/home/huster/Zynq/linux-4.9.24

其中prepare-kernel.sh为shell脚本，可以将相应版本的xenomai的补丁打到相应版本的内核源码包中，不过此处用的补丁是单独下载的，不是xenomai-3.0.5中自带的，可能有人会问，既然是单独补丁为什么不用 patch -p1 < xxx.patch这个命令呢，我的想法是可能用shell脚本打补丁，会用到xenomai中的某些配置文件，而直接patch打补丁就和xenomai没有关系了，也可能两种方法都可以，但是第二种我没有验证。

如果没有出现错误说明打补丁成功。

第三步内核配置

内核配置之前我们需要使能环境变量

在Petalinux目录下执行

./source settings.sh 

(Petalinux为petalinux安装目录) ，才能使交叉编译工具链生效。使能之后，输入arm-后按两下Tab会出现很多编译工具，如下图

我们进入到linux-4.9.24内核目录，执行以下命令

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xilinx_zynq_defconfig

可能这一步你会失败，因为linux源码中没有xilinx_zynq_defconfig这个配置文件，正常来说买开发板送的linux源码都会有这个文件，直接拷贝过来就可以，有一点需要注意，必须要拷到arch/arm/configs目录中，如果实在没有，我单独拷贝出来供大家下载了，链接：https://pan.baidu.com/s/1aefuY1kFx1AHM7EG5eGiIw

除此之外，我们还需要再menuconfig中进行一些自定义配置，这是个界面配置，在linux源码目录中执行以下命令

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

我们可以看到xenomai的一些额外配置选项，还会看到一些警告

接下来我们要选中CPU Power Management—>CPU Frequence scaling，按下enter进入，按下N键静止这个选项；返回到主界面，选中Kernel Features—>Contiguous Memory Allocator，然后按下N键禁止，最后别忘了选中save进行保存。

Linux补丁内核编译

Linux内核编译

执行以下命令对补丁过的Linux内核进行编译

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage

(zImage中第二个单词字母为大写形式的i)

编译完成后，在Linux内核源码安装目录的”arch/arm/boot”路径下，会生成内核镜像文件zImage。

这个过程会很漫长，需要我们耐心等待，或者你可以打一局王者或吃把鸡。

设备树编译

如果你用的linux源码、xenomai源码、补丁以及开发板都和我的一样，那么这一步你可以不做，直接用开发板提供的devicetree.dtb就可以，否则你需要执行以下操作。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

编译完成后，在linux内核安装目录的“arch/arm/boot/dts/”路径下，会生成很多的设备树文件，找到和你开发板相对应的即可。

U-BOOT编译

一般U-BOOT.BIN文件各个开发板公司已经提供好了，不需要我们自己去制作，这里只说下基本思路。首先要将U-BOOT源码解压，其次清理U-Boot，然后使能环境变量，然后配置U-Boot，然后编译U-Boot，最后基于Petalinux将编译生成的u-boot.elf和一级引导Bootloader程序zynq_fsbl.elf合并生成BOOT.BIN。

Xenomai安装

我们现在需要创建我们的Linux系统需要运行的Xenomai库和工具，先回到Xenomai源代码树，我们需要执行以下命令

./scripts/bootstrap

这将使Xenomai源准备好构建我们的工具和库，如果以上过程中提示要安装一些软件和库，我们只需要按照提示要求安装即可。

接下来进入xenomai源码目录，执行以下命令

./configure CFLAGS="-march=armv7-a -mfpu=vfp3 -mfloat-abi=hard" LDFLAGS="-march=armv7-a" --build=i686-pc-linux-gnu --host=arm-none-linux-gnueabi --with-core=cobalt --enable-smp --enable-tls CC=arm-linux-gnueabihf-gcc LD=arm-linux-gnueabihf-ld

继续执行命令

make DESTDIR=/home/huster/Zynq/xenomai-3.0.5/ install

编译完成后，会在xenomai源目录usr/xenomai中找到我们需要的bin工具文件夹和lib库文件。

注意上一条命令中，install前面有一个空格，而且install是命令不是文件夹，我之前在这里卡了好久，一直没有生成bin和lib文件夹。

然后直接将bin和lib目录中的文件直接拷贝到Linux根文件系统中的bin和lib目录下。如果你想直接将xenomai文件夹直接拷贝到linux根文件系统中的usr中也可以，只不过需要将

export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib:$LD_LIBRARY_PATH

添加到~/.bashrc文件中

source ~/.bashrc

然后执行生效

echo $LD_LIBRARY_PATH

查看是否成功

xenomai运行测试

至此，我们已经得到linux镜像zImage文件、U-BOOT.BIN启动引导文件、rootfs根文件系统、devicetree.dtb设备树文件、FPGA的Z-7020.bit文件、以及lib库和工具。将上述文件拷到SD卡相应的存储区，按照烧写教程进行烧写，这里不在详述。

启动开发板，会发现与普通linux系统启动稍有不同。

系统启动之后，执行以下工具,运行延迟测试

./usr/xenomai/bin/latency

会打印出有关系统延迟的一些统计信息

说明xenomai系统移植成功，但是由于某种原因，我们的延迟是负的，这是令人困惑的，而且这是不正确的。后续将继续解决这个问题。

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