4. 嵌入式Linux系统构建与启动

在Zynq平台上跑通嵌入式Linux，核心工作可以概括为一句话：把“硬件描述、内核、根文件系统、启动介质”四件事对齐。PetaLinux正是Xilinx（AMD）提供的这套对齐工具链，它把Yocto的复杂性封装成petalinux-*命令，让开发者围绕一个工程目录完成从硬件导入到镜像烧写的全过程。本节以Zynq-7000/Zynq UltraScale+通用流程为主线，给出可复现的工程创建、设备树定制、内核配置、根文件系统制作，以及SD卡启动与网络启动两条启动路径。

一、PetaLinux工程创建与硬件导入

PetaLinux工程必须绑定一份硬件描述文件（XSA）。XSA由Vivado在导出硬件时生成，包含PS配置、时钟、DDR、外设IP地址以及可选的bitstream。工程创建的第一步是设置环境并新建工程：

source /opt/pkg/petalinux/2023.2/settings.sh
petalinux-create -t project --name zynq_net --template zynq
cd zynq_net
petalinux-config --get-hw-description=../hw/system.xsa

执行petalinux-config后会进入一个Kconfig菜单，其中Subsystem AUTO Hardware Settings会自动从XSA读取串口、以太网、SD控制器、QSPI等配置。这里需要重点确认三项：串口是否指向PS UART0/1、以太网PHY接口类型（MIO或EMIO、RGMII或GMII）、SD控制器是否使能。若硬件中使用了自定义IP或AXI外设，需在DTG Settings中确认设备树生成器能识别对应节点。配置完成后保存退出，工程目录下会生成project-spec/、components/、images/等结构。

二、设备树定制

PetaLinux的设备树分两层：system-user.dtsi是用户定制入口，位于project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/；底层由DTG根据XSA自动生成pl.dtsi和system-top.dts。定制原则是“只改用户层，不动自动生成层”。

典型定制包括：修改以太网PHY地址与复位GPIO、增加I2C从设备、配置GPIO按键与LED、为自定义AXI IP添加compatible与reg。例如为PS以太网增加PHY复位：

&gem0 {
    phy-handle = <&phy0>;
    phy0: ethernet-phy@1 {
        reg = <1>;
        reset-gpios = <&gpio0 47 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    };
};

修改后执行petalinux-build -c device-tree单独编译设备树，产物为images/linux/system.dtb。若启动后/proc/device-tree下看不到新增节点，优先检查system-user.dtsi是否被正确包含，以及节点标签是否与底层一致。

三、内核配置与根文件系统

内核配置通过petalinux-config -c kernel进入。网络与数据传输系统通常需要确认：CONFIG_NETDEVICES、CONFIG_MACB（Zynq千兆网）、CONFIG_STMMAC_ETH（UltraScale+）、CONFIG_USB_GADGET、CONFIG_EXT4_FS、CONFIG_NFS_FS与CONFIG_ROOT_NFS。若使用网络启动，CONFIG_IP_PNP与CONFIG_IP_PNP_DHCP必须打开，否则内核无法通过DHCP获取IP。

根文件系统由petalinux-config -c rootfs配置，可选择petalinux-image-minimal或petalinux-image-full。最小系统约30～50MB，适合SD卡启动；完整系统包含Python、GCC、调试工具，适合开发阶段。若需加入自定义应用，可在project-spec/meta-user/recipes-apps/下新建recipe，再在rootfs菜单中勾选。构建命令为petalinux-build，最终镜像位于images/linux/，包括BOOT.BIN、image.ub、rootfs.ext4等。

四、SD卡启动

SD卡启动是最常用的独立运行方式。将SD卡分为两个分区：第一个FAT32分区存放BOOT.BIN、image.ub、boot.scr；第二个EXT4分区存放rootfs.ext4解压后的根文件系统。BOOT.BIN由FSBL、bitstream（可选）和U-Boot打包而成，命令为：

petalinux-package --boot --fsbl zynq_fsbl.elf --fpga system.bit --u-boot --force

将SD卡插入Zynq板，设置启动模式为SD0（MIO[5:3]=001），上电后串口应依次输出FSBL版本、U-Boot版本、内核解压信息，最后出现登录提示符。若卡在“Waiting for root device”，通常是rootfs分区未正确写入或bootargs中root=指向错误；若U-Boot找不到image.ub，检查FAT分区格式与文件名大小写。

五、网络启动

网络启动适合频繁迭代内核与根文件系统的开发阶段。主机端需搭建TFTP与NFS服务：TFTP根目录放置image.ub与system.dtb，NFS导出/nfsroot为根文件系统。U-Boot中设置：

setenv ipaddr 192.168.1.10
setenv serverip 192.168.1.100
setenv bootargs 'console=ttyPS0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.100:/nfsroot ip=dhcp'
tftpboot 0x10000000 image.ub
bootm 0x10000000

内核需已编译CONFIG_ROOT_NFS与CONFIG_IP_PNP_DHCP。启动成功的标志是内核打印“IP-Config: Got DHCP answer”并挂载NFS根目录。若出现“NFS: mount failed”，检查主机/etc/exports是否包含/nfsroot *(rw,sync,no_root_squash)，以及防火墙是否放行2049端口。网络启动的优点是改内核只需替换TFTP目录文件，无需反复烧写SD卡。

六、常见问题与判断依据