基于zynq7000搭建xenomai实时操作系统/手把手教你zynq构建linux+xenomai实时操作系统双系统/arm构建xenomai实时操作系统

FPGAmaster创新者

已于 2024-07-18 17:34:37 修改

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分类专栏： xenomai 文章标签： linux arm开发 fpga

于 2024-07-18 17:22:57 首次发布

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为了在zynq嵌入式 Linux 环境中实现高实时性能，决定为zynq搭载一个xenomai，实现linux+xenomai双系统。

制作不易，记得三连哦，给我动力，持续更新中！！！

博客中完整工程文件下载：zynq搭载linux+xenomai双系统完整工程（点击蓝色文字即可下载）

提取码：19w5

Zynq 搭建 Linux 和 Xenomai 双系统简介

在嵌入式系统开发中，实时性和系统丰富功能是两个关键需求。通过在 Xilinx Zynq 平台上同时运行 Linux 和 Xenomai，可以结合两者的优点，实现高性能和高实时性的应用。

什么是 Xenomai？

Xenomai 是一个为 Linux 提供实时扩展的框架，旨在使 Linux 能够满足严格的实时性要求。通过 Xenomai，可以在运行标准 Linux 应用程序的同时，保证关键任务的实时性能。

搭建步骤

1、环境准备

在开始之前，确保你的开发环境包含以下工具和资源：

Vivado2021.2：用于创建和配置 FPGA 硬件设计。
Petalinux2021.2：用于创建和配置 Linux 系统。
ubuntu虚拟机：ubuntu18.04 版本。
Xenomai 源码：可以从 Xenomai 官方网站下载。
linux内核源码：可以从 linux 官方网站下载。
ARM 交叉编译工具链：如 arm-linux-gnueabihf-gcc等。

2、vivado硬件设计

创建 Vivado 工程：在 Vivado 中创建一个新的工程，根据自己的开发板配置zynq IP核，如UART、Ethernet、USB、DDR、SD等。
生成硬件描述文件 (.xsa)：完成设计后，生成 bitstream 文件并导出硬件描述文件 (.xsa)。

3、Petalinux配置

创建 PetaLinux 工程：

petalinux-create -t project -n <project_name> --template zynq

导入硬件描述文件：

petalinux-config --get-hw-description=<path_to_xsa>

配置内核和根文件系统：

petalinux-config -c kernel 
petalinux-config -c rootfs

选择合适的内核配置选项，并添加必要的包和库。

4、构建 Xenomai 内核

准备xenomai内核源码：

xenomai内核下载链接（本文章使用的）：xenomai3.1内核源码

大家如果感觉3.1版本比较老的话，也可以通过xenomai官网去下载最新的内核镜像，操作步骤应该都一样，但是其他版本我没验证。

准备ipipe补丁

ipipe补丁下载链接（本文章使用的）：ipipe 4.9.24 arm 补丁下载

注意：xenomai 3.1以及以前的必须打ipipe补丁，xenomai3.2及以后的要打dovetail补丁

准备linux内核

linux4.9.24内核源码下载链接（本文章使用的）：linux4.9.24内核源码下载

大家如果感觉4.9.24版本比较老的话，也可以通过linux官网去下载最新的内核镜像，操作步骤应该都一样，但是其他版本我没验证。

安装交叉编译工具链

// 更新包列表：
sudo apt-get update
//安装交叉编译工具链：
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

现在所需要的源码和环境都已经准备就绪，接下就开始构建

1. 向linux内核打入补丁

通过xenomai内核源码的prepare-kernel.sh进行打补丁，这样可以保证打入补丁完整性并且可以避免一些错误

切换到xenomai内核源码路径，然后输入下面指令进入打补丁：

./scripts/prepare-kernel.sh --arch=arm --ipipe=<path_to_ipipe patch> --linux=<path_to_linux>

这里的 --linux 选项指定 Linux 内核源码目录，--arch 选项指定目标架构，--ipipe 选项指定 Xenomai 的 I-pipe 补丁文件。

2. 加载zynq配置文件

因为咱们最终要在zynq上进行使用，所以需要加载为 ARM 架构的 Xilinx Zynq 平台生成默认的 Linux 内核配置文件。

配置文件下载链接（本文章使用的）：zynq linux配置文件下载

需要先把是这个配置文件放到内核的 /linux-4.9.24/arch/arm/configs里面

切换到linux内核源码路径，然后输入下面指令加载zynq配置文件：

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

make：调用 GNU Make 工具来执行编译

ARCH=arm：指定目标架构为 ARM

CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-：指定交叉编译工具链的前缀

xilinx_zynq_defconfig：指定使用 xilinx_zynq 的默认配置文件

3. 内核配置

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，类似于petalinux-config - kernel

切换到linux内核源码路径，然后输入下面指令进入配置界面：

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

xenomai非常良心，把一些需要关闭的配置都已经给你列出来了，只需要根据他的警告来对应的配置即可

需要关闭的有：

CPU Power Management --->
	CPU Frequency scaling  --->
		[] CPU Frequency scaling
	CPU Idle  --->
		[] CPU idle PM support

Memory Management options  --->
	[ ] Allow for memory compaction

然后警告就会消失了，记得要保存配置

4. 编译内核

配置的信息都已经配置完了，接下里需要编译内核，生成可以供u-boot加载的uImage文件

切换到linux内核源码路径，然后输入下面指令编译内核：

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

此指令编译出来的是zImage，还需要通过u-boot-tools来进行转化

// 安装u-boot-tools
sudo apt-get install u-boot-tools

zImage转化为uImage：

mkimage -A arm -O linux -T kernel -C none -a 0x00200000 -e 0x00200000 -n "Linux-4.9.24" -d arch/arm/boot/zImage arch/arm/boot/uImage

转换完成之后会在/linux-4.9.24/arch/arm/boot 里面生成uImage内核镜像

5. 编译xenomai

创建我们的Linux系统需要运行的Xenomai库和工具，切换到xenomai目录

./scripts/bootstrap

开始编译xenomai

./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

./configure：运行配置脚本，准备编译环境。
CFLAGS 和 LDFLAGS：设置编译器和链接器选项，指定目标架构为 ARMv7-A，并使用硬浮点运算单元。
--build 和 --host：指定构建系统为 i686 架构的 Linux 系统，目标系统为 ARM 架构的 Linux 系统。
--with-core=cobalt：使用 Xenomai 的 Cobalt 实时核心。
--enable-smp：启用多处理器支持。
--enable-tls：启用线程局部存储支持。
CC 和 LD：指定使用交叉编译工具链中的 GCC 编译器和链接器。

创建xenomai

make -j$(nproc) DESTDIR=`pwd`/build-arm install

此时即可在build-arm目录下找到xenomai编译后的相关库及可执行文件。

5、启动系统

制作一个SD卡，然后分为两个区，

FAT32：BOOT.bin，boot.scr，uImage（上面生成的）

EXT4：解压rootfs.tar.gz

然后把生成的xenomai文件夹及里面的内容复制到根文件系统的/usr下面

把zynq开发板设置为SD卡启动，用户名和密码都是root

启动开发板后，会发现和petalinux启动起来不太一样

然后再/usr/目录下面会发现，xenomai相关的目录

6、测试

运行测试程序之前需要把xenomai目录添加到环境变量：

使用vim打开/etc/profile，添加xenomai环境变量如下：

vim /etc/profile

在末尾添加以下内容

export PATH$PATH:/usr/xenomai/bin:/usr/xenomai/1ib/:/usr/xenomai/sbin

执行如下指令使能全局变量即可。

source /etc/profile

xenomai运行需要root权限，因为我是通过root用户登录的，故执行如下指令即可测试xenomai实时性。

cd /usr/xenomai/bin 
./latency

lat min: 最小延迟时间。

lat avg: 平均延迟时间。

lat max: 最大延迟时间。

overrun: 超时次数（任务未能在周期内完成的次数）。

msw: 模式切换次数（Mode Switches），通常是从用户态切换到内核态的次数。

lat best: 最佳延迟时间（整个测试期间的最小值）。

lat worst: 最差延迟时间（整个测试期间的最大值）

这是通过优化后的结果，下一期将具体讲解如何对实时内核进行自动调优。

博客中完整工程文件下载：zynq搭载linux+xenomai双系统完整工程 （点击蓝色文字即可下载）

如果感觉文章对您有用，麻烦三连支持一下，方便下次用到的时候，就可以快速找到我，非常感谢您的支持！！！