【正点原子FPGA连载】第九章Linux图形界面的搭建摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Linux开发指南

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第九章Linux图形界面的搭建

一般我们使用Linux大多都是使用终端进行操作，也就是使用字符界面。其实Linux也是有图形界面的，比如我们使用的Ubuntu主机，默认就是GNOME图形界面。与Windows系统不同的是，Windows的图形界面是不可以更换和卸载的，而且图形界面崩溃了，整个系统基本就崩溃了，而Linux的图形界面只是一个应用程序，可以更换和卸载，常用的图形界面有GNOME、KDE、Xfce、LXDE等。本章我们讲解如何在DFZU2EG_4EV MPSoC开发板上搭建Linux图形界面。

9.1简介
在Windows系统下我们习惯了使用图形界面，不仅享受到了图形界面的操作方便，而且沉浸在图形界面的富娱乐化中，这与Windows长期主要定位于个人桌面端有关。而Linux系统由于开源、稳定的优点长期服务于服务器领域，而服务器领域对图形界面的要求不高，而且缺少商业化的运作，所以Linux的图形界面发展较为缓慢，当然了，现在情况不一样了，随着Linux系统这些年的发展，linux的图形界面做的越来越优秀了，像我们现在使用的18.04版本的Ubuntu发行版的图形界面跟Windows系统的图形界面风格相差无几了。
Linux的图形界面（以下简称桌面）有很多，如GNOME、KDE、XFCE、LXDE等，每个桌面都有属于自己的风格特点。与GNOME、KDE不同的是，XFCE、LXDE定位于轻量级的桌面，可用于硬件性能配置不高的电脑或嵌入式领域。因为图形界面对硬件性能还是有要求的，正因为如此，我们平常使用的电脑都带有GPU，当然了，嵌入式领域很少带GPU的，所以一般使用的是轻量级的桌面，或者用Qt搭建一个。
桌面对于Linux系统来说，只是一个应用程序，所以是可以移植的，由于我们的主要目的不是怎么移植桌面，所以没有必要把精力花费在这上面，当然了，有兴趣的可以尝试下。那我们怎么才能够使用桌面呢？
其实我们用Petalinux就可以搭建一个轻量级的桌面。Petalinux提供的轻量级的桌面为Matchbox，也是一个窗口管理器。关于Matchbox的介绍可访问：https://www.yoctoproject.org/software-item/matchbox/，也可参考CSDN的一篇博客：https://blog.csdn.net/chungle2011/article/details/104880893。
笔者对Matchbox也未有过太多的了解，本章使用Matchbox，一是因为Petalinux提供了这样一个轻量级的桌面，使用Petalinux搭建，顺便讲解Petalinux的一些功能；二是为以后使用其他的图形界面提供帮助或者说参考。
图形界面是存放在根文件系统中的，对于根文件系统的介绍可参考错误!未找到引用源。小节的错误!未找到引用源。。linux内核启动后通过加载根文件系统进入linux系统，linux系统看起来是什么样的，由根文件系统决定，比如对于安卓手机来说，都是运行在linux内核之上的，但各厂商安卓手机的界面是不一样的，这是由根文件系统决定的。根文件系统可以通过Petalinux编译得到，如本章；也可以使用其他开源的根文件系统，如Ubuntu、Debian等。当然了，不是所有的根文件系统都是通用的，每个根文件系统在产生时都有其适配的平台架构，由编译工具链决定的。对于我们的MPSoc开发板，适用于ARM64位的根文件系统基本上是可以使用的，但在某些细节上可能还需要进行适配。有兴趣的读者可以在完成本章后，阅读下9.8小节的拓展阅读。
下面我们讲解Petalinux与根文件系统相关的内容。
9.2配置根文件系统类型
进入到第六章Petalinux设计流程实战中创建的petalinux工程目录下，然后按照6.3.2小节设置Petalinux环境变量。
现在重新配置petalinux，重新设置根文件系统类型，命令如下：
petalinux-config
在弹出的配置界面中，进入到“Image Packaging Configuration”菜单下的“Root filesystem type (INITRAMFS)”子菜单下，如下图所示：

图 9.2.1 选择“EXT (SD/eMMC/QSPI/SATA/USB)”
选择“EXT (SD/eMMC/QSPI/SATA/USB)”，按键盘上的“Enter”键返回，结果如下图所示：

图 9.2.2 Root filesystem type最终配置
将根文件系统类型（root filesystem type）设置为“EXT (SD/eMMC/QSPI/SATA/USB)”，也就是根文件系统在EXT外部，可能是在SD、eMMC、QSPI等中，而不是像INITRD类型那样存放在image.ub中。现在又有一个新问题，内核怎么知道根文件系统放哪儿呢，是在SD、eMMC、QSPI等哪一个里面呢？有两种方式可以解决。
第一种：
配置“Device node of SD device”，也就是SD设备的设备节点，一般都是将根文件系统放到SD卡中，所以用SD device代表存放根文件系统的设备，默认是“/dev/mmcblk0p2”，代表着第一个mmc设备/dev/mmcblk0的第二个分区，对应开发板的eMMC的第二个分区。笔者是将根文件系统放到SD卡的第二个分区中，也就是SD卡的ext4分区，所以将其设置为“/dev/mmcblk1p2”，如下图所示：

图 9.2.3 配置Device node of SD device”
第二种：
设置内核启动参数。
返回到配置主界面。进入到“DTG Settings”菜单下的“Kernel Bootargs”子菜单下，如下图所示：

图 9.2.4设置内核启动参数
默认参数如下：
earlycon console=ttyPS0,115200 clk_ignore_unused root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait
earlycon console=ttyPS0,115200 clk_ignore_unused
将其修改成如下：
earlycon console=ttyPS0,115200 clk_ignore_unused root=/dev/mmcblk1p2 rw rootwait
也就是将“root=/dev/mmcblk0p2”改成“root=/dev/mmcblk1p2”，/dev/mmcblk1p2对应SD卡的ext4分区，“root=/dev/mmcblk1p2”表示根文件系统存放在/dev/mmcblk1p2中。
不过这样改是不能生效的，如下图所示：

图 9.2.5 NO EDIT
显示“NO EDIT！”，那怎么改呢？
首先取消“generate boot args automatically”，如下图所示：

图 9.2.6 取消“generate boot args automatically”
然后设置“user set kernel bootargs”。移动到“user set kernel bootargs”，然后按键盘上的Enter键，进入下图所示界面，输入“earlycon console=ttyPS0,115200 clk_ignore_unused root=/dev/mmcblk1p2 rw rootwait”，如下图所示：

图 9.2.7设置内核启动参数
设置完成后如下图所示：

图 9.2.8 设置结果

经过以上设置后，linux就可以准确的从SD卡的第二个分区，也就是ext4分区加载根文件系统。其他选项保持上一章的设置，现在保存配置并退出。
注：设置的“Kernel Bootargs”在当前工程的components/plnx_workspace/device-tree/device-tree/system-conf.dtsi中可以找到，如果没有或不对应的话，编译Petalinux工程就可以了。
9.3定制根文件系统
输入如下命令定制根文件系统：
petalinux-config -c rootfs
执行结果如下图所示：

图 9.3.1 根文件系统配置界面
关于该配置界面的介绍可参考错误!未找到引用源。小节的Petalinux构建根文件系统，下面我们定制本章需要的根文件系统。
9.3.1添加多媒体库multimedia
要想丰富根文件系统的多媒体显示功能，如图形界面等，需要添加多媒体库。添加多媒体库需要进行如下配置：
Petalinux Package Groups —>
packagegroup-petalinux-multimedia —>
packagegroup-petalinux-multimedia（Y）
结果如下图所示：

图 9.3.2 添加多媒体库
用< Help >可以看到packagegroup-petalinux-multimedia包含如下包：

图 9.3.3包含的多媒体库
本章我们使用的图形界面就是其中的matchbox。
9.3.2配置自动登录
之前我们在开发板上运行linux，linux系统启动后需要输入用户名和密码，在平时使用时比较麻烦，可以配置根文件系统让linux系统启动后自动登录，需要进行如下配置：
Image Features —>
debug-tweaks（Y）
结果如下图所示：

图 9.3.4配置自动登录
9.4编译Petalinux工程
配置完跟文件系统后，编译整个Petalinux工程，得到修改后的启动镜像文件和根文件系统。在终端输入如下命令：
petalinux-build
执行结果如下图所示：

图 9.4.1 编译整个Petalinux工程
注：有一个警告，Petalinux版本的问题，不影响使用。
编译完成后，会在工程的images/linux生成相应的镜像文件和根文件系统（rootfs.tar.gz），如下图所示：

图 9.4.2 编译得到的根文件系统
9.5制作BOOT.BIN启动文件并复制到SD卡
使用下面命令生成 BOOT文件：
petalinux-package --boot --fsbl --fpga --u-boot --force
执行结果如下图所示：

图 9.5.1 生成 BOOT文件
生成BOOT文件后，我们插入SD卡到Ubuntu虚拟机中，将该工程image/linux目录下的BOOT.BIN、image.ub文件拷贝到名为boot的分区也即/dev/sdc1分区中，如下图所示：

图 9.5.2 复制启动镜像到sd卡
9.6拷贝根文件系统到SD卡的ext4分区
使用命令df -h可以看到已经将SD卡的ext4分区挂载到/media/cx/rootfs/下，如下图所示。之前我们一直未使用到该分区，现在终于派上用场了。

图 9.6.1挂载点
在Ubuntu主机终端中输入如下命令将本章编译得到的根文件系统解压到SD卡的rootfs分区并查看：
sudo tar -zxf rootfs.tar.gz -C /media/cx/rootfs/
ls /media/cx/rootfs/
如下图所示：

图 9.6.2 将根文件系统解压到SD卡的rootfs分区
可以看到解压完成后，SD卡的rootfs分区就有了根文件系统。当linux内核启动后从SD卡的rootfs分区加载根文件系统相应文件进入linux系统，此后就可以将修改或拷贝的文件保存到SD卡的rootfs分区中，而不是掉电丢失。
现在可以卸载SD卡了，特别注意要在终端中卸载，输入如下命令：
sync #同步
cd #避免在SD卡挂载的目录中
umount /dev/sdc*
/dev/sdc是笔者的SD卡所在目录，输入上面命令后，终端中弹出下一个提示符时才能拔出SD卡，如下图所示：

图 9.6.3 卸载SD卡
过早拔出SD卡会导致开发板上的Linux系统启动失败。
9.7在开发板上启动Linux
将SD卡插入开发板的SD卡槽（卡槽位于开发板背面），然后使用USB Type-C连接线将开发板的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信，连接miniDP线用于显示图形界面。接下来将开发板上的启动模式开关设置为从SD卡启动。最后连接开发板的电源线，开发板上电启动。
与开发板miniDP接口连接的显示器显示的内容如下图所示：

图 9.7.1根文件系统显示的桌面
这就是轻量级的桌面Matchbox对应的图形界面，很简单。
串口终端显示如下图所示：

图 9.7.2 串口终端
注：按下回车键才会显示“root@ALIENTEK-ZYNQ:~#”。
现在如果我们在开发板上接上鼠标和键盘，就可以使用图形界面了。图形界面的使用就不介绍了，有兴趣的读者可自行研究。
至此我们完成了Linux图形界面的使用。
注：输出中的Errors、Cant find、failure一类的信息可能是软件本身的某些问题，但不影响使用。
9.8拓展阅读
我们进入Ubuntu的官方网页https://ubuntu.com/download/xilinx，进入后可以看到Xilinx和树莓派，如下图所示：

图 9.8.1 Xilinx和树莓派
也就是说Xilinx以及树莓派是和生产Ubuntu的公司是有合作的，对应的，也应该有用于Xilinx和树莓派的Ubuntu系统镜像。
我们先看Xilinx，在Xilinx对应的页面下，有如下说明：

图 9.8.2 用于MPSoc的Ubuntu桌面系统镜像
可以看到，有专用于Xilinx自家生产的ZCU102、ZCU104和ZCU106开发板的Ubuntu桌面系统镜像。无论是ZCU102还是ZCU104都属于ZYNQ UltraScale+ MPSoc系列，理论上也是可以通用于所有的ZYNQ UltraScale+ MPSoc系列的，因为同架构的处理器（PS相同）根文件系统一般是通用的，只需要替换FAT32分区的启动镜像即可。不过很遗憾的是，笔者没有成功的将其适配到我们使用的ZYNQ UltraScale+ MPSoc开发板上，有兴趣的读者可以尝试一下。
现在我们来看树莓派。对应网页https://cn.ubuntu.com/download/raspberry-pi，进入后，如下图所示：

图 9.8.3 适用于树莓派的Ubuntu系统
树莓派的Ubuntu系统有桌面版和服务器版，其使用方式都有相应的教程，可以参考学习。
介绍了树莓派，也许有读者会问，树莓派的Ubuntu系统也可以用于我们的开发板么？
答案是可以的。我们看下树莓派的各版本参数，如下图所示（图片来源于百度百科）：

图 9.8.4 树莓派各版本参数
可以看到3代B型以及B+型和CM3的树莓派使用的CPU都是4核ARM A53，与我们使用的2eg和4ev的开发板是相同的，而同型号的CPU可以使用相同的根文件系统，也就是SD卡EXT4分区的内容。根文件系统是运行在Linux内核之上的，与底层关联不大，只要内核使用我们自己开发板的，就可以使用树莓派的根文件系统。笔者尝试了一下，将服务器版的树莓派Ubuntu系统烧录到SD卡，然后替换SD卡FAT32分区的内容，启动后，不知为何密码不对（用户名和密码都是ubuntu），如下图所示：

图 9.8.5 用户名与密码不对应
由于时间原因，笔者没有过多的尝试，有兴趣的读者可自行尝试。
相关内容：
1)烧录Ubuntu镜像：https://ubuntu.com/download/iot/installation-media
2)Ubuntu系统网络配置：https://ubuntu.com/server/docs/network-configuration