月: 2015年3月

前回までの記事では Digilent が提供している ZYBO Base Design をそのまま使って FreeBSD を起動する、というのをやったのですが、この Base Design には HDMI のコントローラやら何やらが載っており、それなりに PL 部のリソースを使っています。自分で hack する以上は、PL 部はほとんどからっぽ、という状態からスタートしたいのが人情です。
というわけで、自分でやってみました。結果からいうと簡単で自明な理由なのですが、実はけっこうはまりましたので、記録としてここに残しておこうと思います。
作業を始める前に、Digilent のウェブサイトから ZYBO_zynq_def.xml (ZYBO Board Definition File for configuring the Zynq Processing System core in Xilinx Platform Studio and Vivado IP Integrator) をダウンロードしておくと便利です。これを使うと、クロックや MIO の設定などを ZYBO 用に一括で設定可能です (ZedBoard 用もあります)。

1. Vivado のプロジェクトを作る (XC7Z010-CLG400-1)
2. Create Block Design で新しいブロックデザインを開く
3. Add IP で Zynq7 Processing System を加える
4. 現れた Zynq PS のブロックをダブルクリックして設定画面を開く

これで、”Import XPS Settings” からさきほどの ZYBO_zynq_def.xml を読み込むと、画面が以下のようになります。

I2C や UART1, SD0, USB0, ENET0 などにチェックが入ったら PS の設定は OK です。Clock Configuration や DDR Configuration なども正しく設定されているはずです。このあと、PS 周辺部の設定をしていきます。
ポイントは、

• DDR と FIXED_IO は Make External する (これは自動でもできる)
• IIC_0 (I2Cのこと) も Make External する
• SDIO0_WP は Low に落とす
• Master AXI GP port のクロックは FCLK_CLK0 をつないでおく

というあたりです。
DDR (DDR SDRAM) と、FIXED_IO (固定機能ピン) は右クリックして “Make External” すれば下の図のようにブロックの出力ポートとなり、これはピンが決まっているので、なにもしなくても配置配線後にちゃんと外にでてくれます。
IIC_0 (I2C) も同様に Make External してブロックの外に出しますが、これは Zynq PS の設定の Peripheral I/O Pins の画面で見ると “EMIO” でなっており、PL 部の programmable fabric につながるので、最終的にどこのピンにつながるかを自分で指定する必要があります。
I2C、何に使うのかわからなくて放置していたのですが、実は ZYBO では MAC アドレスが I2C ROM に記録されており、FSBL を書き換えるところのコード (fsbl_hooks.c) ではこの ROM を参照しにいっています。このとき I2C が配線されていないとそこで止まってしまい、OS の起動までたどり着けないので注意しましょう。
また、ZYBO には Micro SD カードスロットが載っていますが、Micro SD なので Write Protect の検出がありません。これも EMIO に出ているピンですので、Add IP で “Constant” を呼び出して、値を 0 にして SDIO0_WP につないでしまいましょう。
Master AXI ポートがひとつありますが、いまのところ使わないので、このクロックは FCLK_CLK0 につないでおけばよいでしょう。何もつながないとエラーになります。
ということで、できあがりの block design は下のようになります。

あとは、

1. Generate Block Design する (Flow navigator で)
2. Create HDL Wrapper する (デザイン階層でブロックデザインを右クリック)
3. I2C のピンを制約に追加して bitstream 生成

すれば OK です。
デフォルトで HDL Wrapper に現れる I2C なポートの名前は iic_0_scl_io と iic_0_sda_io だと思いますので、以下を XDC ファイルに追加すれば OK です。これを書かずにやると、I2C のピンがどこか知らないところへ行ってしまうので気を付けましょう。
[code:plain]
set_property PACKAGE_PIN N18 [get_ports iic_0_scl_io]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports iic_0_scl_io]
set_property PACKAGE_PIN N17 [get_ports iic_0_sda_io]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports iic_0_sda_io]
[/code]

前回の記事では ZedBoard 用のカーネルで ZYBO を起動するところまで書きました。ZedBoard 用のカーネルでは、Ethernet のポートとして cgem0 が認識されますが、ifconfig であれやこれや頑張ってみてもどうにも使えません。dmesg をみるとこんな感じです。
[code:plain]
cgem0: mem 0xb000-0xbfff irq 54,55 on simplebus1
miibus0: on cgem0
ukphy0: PHY 0 on miibus0
ukphy0: none, 10baseT, 10baseT-FDX, 100baseTX, 100baseTX-FDX, 1000baseT, 1000baseT-master, 1000baseT-FDX, 1000baseT-FDX-master, auto
ukphy1: PHY 1 on miibus0
ukphy1: none, 10baseT, 10baseT-FDX, 100baseTX, 100baseTX-FDX, 1000baseT, 1000baseT-master, 1000baseT-FDX, 1000baseT-FDX-master, auto
cgem0: Ethernet address: 00:1e:c0:ac:bf:8e
[/code]
一方、10.1-RELEASE をみると、src/sys/arm/conf/ZEDBOARD には
[code:plain]
device ether
device cgem # Zynq-7000 gig ethernet device
device mii
device e1000phy
[/code]
と書かれており、cgem に e1000phy を組み合わせて使うことになっているようです。e1000phy は Marvell 88E1000 用のドライバですが、ZYBO に載っているのは Realtek RTL8211E なので、rgephy を使うのが正しいです。

そういうわけで、ZYBO 用のカーネルコンフィギュレーションは ZEDBOARD のをちょっとだけいじれば OK です。
[code:plain]
-ident ZEDBOARD
+ident ZYBO
[/code]
[code:plain]
device ether
device cgem # Zynq-7000 gig ethernet device
device mii
-device e1000phy
+device rgephy # RealTek GbE PHY
[/code]
FreeBSD のソースコードリポジトリからソースツリーを取得してコンパイルします。root 権限は使わずにふつうにユーザ権限でやればよいでしょう。/usr/obj のかわりにどこにオブジェクトを生成するかは MAKEOBJDIRPREFIX で指定します。
[code:plain]
% setenv MAKEOBJDIRPREFIX=${pwd}/obj
% svn co https://svn0.us-west.freebsd.org/base/stable/10 src
% cd src
% cp sys/arm/conf/ZEDBOARD sys/arm/conf/ZYBO
% vi sys/arm/conf/ZYBO
% make -j8 buildworld TARGET_ARCH=armv6
% make -j8 buildkernel TARGET_ARCH=armv6 KERNCONF=ZEDBOARD
[/code]
あとは SD カードをマウントしてふつうにインストールします。
[code:plain]
% su
# mount /dev/da0s2a/mnt
# setenv MAKEOBJPREFIX=…
# make installworld DESTDIR=/mnt
# make installkernel DESTDIR=/mnt KERNCONF=ZYBO
[/code]
installworld では chflags noschg とかしないといけないところが何カ所かありますが、ま、なんとかなります。

ports とかもふつうに使えるので、ある程度の開発環境は ZYBO ネイティブでやるのがよさそうです。僕の研究室の環境ではふつうに ZYBO のログインを LDAP で認証して、NFS 経由でホームディレクトリが見えています 🙂

Digilent から出ている ZYBO という、Xilinx Zynq-7000 SoC を積んだボードがお手頃価格なので、研究室で何枚か買ってみました。Zynq は FPGA と ARM がひとつのチップに乗った SoC (system on a chip) で、ARM では Linux も動くし、FPGA 部分に載せた回路を周辺デバイスとして動かすこともできるので、けっこう面白いことができそう。ZYBO に載っているチップ (XC7Z010) の FPGA 部分は今となってはそれほど大きいサイズではないのだけれど…
で、僕は Linux のデバイスドライバとかよくわからない (一応書けるけども… なんか苦手) ので、FreeBSD 動くといいなー、と。
同様のボードでひと回り大きいチップを積んだ Zedboard というボードもあり、こちらは FreeBSD 10.1-RELEASE から (まだ Tier1 ではないものの) サポートされている ので、なんとかなるのでは、と思って試しはじめたものの、boot の仕組みから何から全然わからなくて、ちゃんと使えるようになるまで3日かかった。ということで、いちおう記録にまとめておこうと思います。FreeBSD のカーネル構築なんかしたことないよ、とか、FPGA 触ったことないよ、という人にはあまり参考にならないかもしれないけれど。
Step 0: 必要なもの
以下のものが必要です。今回は 1. の部分を書いていきます。Xilinx Vivado が動く開発環境が必要です。僕は Linux でやっていますが、Windows でも大丈夫かもしれません。
1. BOOT.bin 3点セット: Zynq SoCの構成情報, FSBL (First stage boot loader), u-boot
2. Device tree blob + uenv.txt
3. ubldr + FreeBSD
Step 1: SoC を構成する
Zynq は PS (Processing System) と PL (Programmable Logic) のふたつの部分に分かれており、AXI インタフェイスで接続されています。PL 部分はふつうの FPGA だと思えば OK です。
PS には ARM と、メモリコントローラや USB コントローラなどの周辺回路が入っているのだけれど、ただ Micro SD カードにブートローダーを書き込んだだけでは起動できません。Zynq に載っている PLL を使って、ARM コアや SDRAM をはじめとする各所のクロックをどうするか、とか、USB コントローラなどの各種周辺回路をどの MIO (Multiplexed I/O) ピンに引き出すか、といった設定が必要です。Zynq の場合、これらは PL 部分の構成情報といっしょに書き込む必要があります。
とりあえず FreeBSD を動かす、というだけの場合、FPGA の部分についてはあまり考えることはありませんし、HDL を書いて自分で回路を作る、という必要もありません。今回は手っ取り早く Digilent の ZYBO のページにある “ZYBO Base System Design” を使います。同じページにある “Embedded Linux hands-on tutorial for the ZYBO” にこれの説明があります。基本的には、Xilinx の設計ツールである Vivado で、次のような画面でブロックをつないでいくだけです。

Base System Design では HDMI を動かしたりするいろいろが含まれており、PS 以外にもいろいろなブロックが配置されていますが、FreeBSD をきどうするだけならこれらは必須ではありません。この場合のポイントは、Zynq7 Processing System の設定で、
– MIO Configuration: USB0 (MIO28-39), SD0 (MIO40-45), UART1 (MIO48-49), Bank 1: 1.8V
– Clock Configuration: Input Frequency = 50MHz
– DDR Configuration: Memory part = MT41K128M16 JT125
といったあたりです。Base System Design では このあたりは ZYBO のボード事情に合わせて正しく設定されています。Digilent tutorial の通りにして、Vivado で “Generate Bitstream” すると、Zynq の回路を構成するための .bit ファイルが生成されます。
Step 2: u-boot をコンパイルする
順序的には SoC が構成されたあと、FSBL が読み込まれて、そこから u-boot が起動するのですが、FSBL を使うときは Xilinx SDK が出てくるので、先に u-boot の話をしておきます。
u-boot は組み込みシステム向けの、OS 非依存なブートローダで、SD カードや tftp を使って起動することができます。Digilent が配布しているものを使いました (これもチュートリアルにある通りです)。設定とかはないので、make するだけです。
[code:plain]
% git clone -b master-next https://github.com/DigilentInc/u-boot-Digilent-Dev.git
% cd u-boot-Digilent-Dev
% make CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi- zynq_zybo_config
% make CROSS_COMPILE=arm-xilinx-linux-gnueabi-
[/code]
これで u-boot というファイルができるので、それを u-boot.elf に rename しておきます。
Step 3: First stage boot loader をコンパイルする
Zynq PS のアドレスマップなどはハードウェアの構成によって変わるので、Vivado で作ったハードウェアに合わせたブートローダを作る必要があります。これも、Digilent のチュートリアルにある通りの方法で作ることができます。
基本的には、
– Vivado で File → Export Hardware で SDK 用にハードウェアの構成情報を書き出す
– 続いて Vivado で File → Launch SDK を選んで Xilinx SDK を起動する
– File → New → Application Project でプロジェクトを作る際のテンプレートとして Zynq FSBL を選択
– fsbl_hooks.c を Base System Design の配布ファイルにあるものと差し替え (これやらないと MAC アドレスが毎回変わるのだとか…)
という流れです。Vivado 側で (PS から見た) ハードウェアの構成が変化した場合には作り直す必要がありますが、OS 非依存ですので Linux でも FreeBSD でも同じです。
SDK のフォルダの下の、FSBL/Debug/ (FSBL は Application project 名) に FSBL.elf ができるはずです。これが FSBL のバイナリです。
Step 4: BOOT.bin を作る
.bit ファイル → FSBL → u-boot の順で SD カードから読み込まれて Zynq が起動するわけですが、これらは Zynq Boot Image (BOOT.bin) としてひとつのファイルにまとめて SD カードに書き込みます。SDK のメニューバーで、Xilinx Tools → Create Zynq Boot Image を選ぶと作ることができます。
一番下の boot image partitions というところに、
– FSBL.elf
– (自分のFPGA構成情報).bit
– u-boot.elf
をこの順番に Add していけば OK です。FSBL.elf のところには [bootloader] という表示がつきますので、確認してください。
指定したディレクトリに BOOT.bin と、つかったファイルのリストの .bif ファイルが生成されれば、OS を起動する準備はおおむね準備完了です。
(続く、といいなあ)

Linux 全然わからないんですが、FPGA に書き込みするのに使ってるマシンから FPGA 上の UART を叩きたかったので。
で、USB-UART が /dev/ttyUSB0 とかに生えてくるのだけれど、これの permission がふつうのユーザからは読み書きできないようになってたので、udev のルールを書き足してみたら、うまくいきました。
[code:plain]
# cat /etc/udev/rules.d/51-ttyUSB.rules
KERNEL==”ttyUSB*[0-9]*”, GROUP=”dialout”, MODE=”0666″
# /sbin/udevadm control –reload
[/code]
あと、GNU screen でシリアルポート使えるの全然知らなかったのですが、最近の Linux には cu とかないし、minicom はなんか慣れないし、これはいいですね。
[code:plain]
% screen /dev/ttyUSB0 9600
[/code]
とかすれば9600bpsでつながるし、終了はふつうにscreen のkill window でいけるぽい。