Linux + Xenomai實時操作系統(tǒng)創(chuàng)建方案

作者：Huster-ty

Xenomai是一種采用雙內(nèi)核機制的Linux 內(nèi)核的強實時擴展。由于Linux 內(nèi)核本身的實現(xiàn)方式和復(fù)雜度，使得Linux 本身不能使用于強實時應(yīng)用。在雙內(nèi)核技術(shù)下，存在一個支持強實時的微內(nèi)核，它與Linux 內(nèi)核共同運行于硬件平臺上，實時內(nèi)核的優(yōu)先級高于Linux 內(nèi)核，它負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的實時任務(wù)，而Linux 則負(fù)責(zé)處理非實時任務(wù)，只有當(dāng)實時內(nèi)核不再有實時任務(wù)需要處理的時候，Linux內(nèi)核才能得到運行的機會。所以Xenomai與傳統(tǒng)Linux組成雙內(nèi)核以彌補Linux實時性差的缺陷。

準(zhǔn)備內(nèi)容
Linux源碼：
Linux-4.9.24版本，下載地址：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/snapsho...

Xenomai源碼：
xenomai-3.0.5版本，下載地址：https://gitlab.denx.de/Xenomai/xenomai/-/archive/master/xenomai-master.zip

3.0.5不是最新版本，讀者可以嘗試最新版本的xenomai。Xenomail官網(wǎng)：http://www.cs.ru.nl/lab/xenomai/

Ipipe補?。?br /> ipipe-core-4.9.24版本，下載地址：https://xenomai.org/downloads/ipipe/v4.x/arm/older/

打補丁是系統(tǒng)移植的關(guān)鍵點，所以Ipipe補丁最好與Linux版本號對應(yīng)，我們在構(gòu)建的過程中遇到的問題就會少很多。

開發(fā)板：
本次移植是基于創(chuàng)龍zynq7020開發(fā)板（ARM A9雙核+FPGA），但是本教程也適用zynq7000系列的板子，可能某些操作不太一樣，這就需要大家來驗證了。

除了以上所必須的所需條件外，我們還需要安裝Petalinux，（Petalinux是Xilinx公司推出的嵌入式Linux開發(fā)工具），這里不在詳述Petalinux的安裝，請讀者自行解決。

以上內(nèi)容都準(zhǔn)好之后，我們就可以進(jìn)行系統(tǒng)移植了。

在移植之前還要說一點，最好用開發(fā)板提供的liunx版本上構(gòu)建xenomai，這樣你就可以省去很多麻煩，比如U-BOOT.BIN文件、devicetree.dtb文件、根文件系統(tǒng)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源碼相對應(yīng)的補丁。

給Linux源碼打補丁
第一步Linux和xenomai源碼解壓
將他們解壓到同一個文件夾中
tar -xzvf linux-xlnx-4.9.24.tar.gz
unzip xenomai-3.0.5.zip

同時我們在這個文件夾下建立一個patch文件夾來存放補丁，并把補丁拷貝進(jìn)去

至此這個文件夾中有l(wèi)inux-xlnx-4.9.24、xenomai-3.0.5、patch三個文件夾

第二步開始打補丁

先進(jìn)入xenomai源碼目錄，再打補丁
./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為shell腳本，可以將相應(yīng)版本的xenomai的補丁打到相應(yīng)版本的內(nèi)核源碼包中，不過此處用的補丁是單獨下載的，不是xenomai-3.0.5中自帶的，可能有人會問，既然是單獨補丁為什么不用 patch -p1

如果沒有出現(xiàn)錯誤說明打補丁成功。

第三步內(nèi)核配置

內(nèi)核配置之前我們需要使能環(huán)境變量

在Petalinux目錄下執(zhí)行
./source settings.sh

(Petalinux為petalinux安裝目錄) ，才能使交叉編譯工具鏈生效。使能之后，輸入arm-后按兩下Tab會出現(xiàn)很多編譯工具，如下圖

我們進(jìn)入到linux-4.9.24內(nèi)核目錄，執(zhí)行以下命令
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- xilinx_zynq_defconfig

可能這一步你會失敗，因為linux源碼中沒有xilinx_zynq_defconfig這個配置文件，正常來說買開發(fā)板送的linux源碼都會有這個文件，直接拷貝過來就可以，有一點需要注意，必須要拷到arch/arm/configs目錄中，如果實在沒有，我單獨拷貝出來供大家下載了，鏈接： https://pan.baidu.com/s/1aefuY1kFx1AHM7EG5eGiIw

除此之外，我們還需要再menuconfig中進(jìn)行一些自定義配置，這是個界面配置，在linux源碼目錄中執(zhí)行以下命令
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

我們可以看到xenomai的一些額外配置選項，還會看到一些警告

接下來我們要選中CPU Power Management—>CPU Frequence scaling，按下enter進(jìn)入，按下N鍵靜止這個選項；返回到主界面，選中Kernel Features—>Contiguous Memory Allocator，然后按下N鍵禁止，最后別忘了選中save進(jìn)行保存。

Linux補丁內(nèi)核編譯
Linux內(nèi)核編譯

執(zhí)行以下命令對補丁過的Linux內(nèi)核進(jìn)行編譯
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zImage

(zImage中第二個單詞字母為大寫形式的i)

編譯完成后，在Linux內(nèi)核源碼安裝目錄的”arch/arm/boot”路徑下，會生成內(nèi)核鏡像文件zImage。

這個過程會很漫長，需要我們耐心等待，或者你可以打一局王者或吃把雞。

設(shè)備樹編譯

如果你用的linux源碼、xenomai源碼、補丁以及開發(fā)板都和我的一樣，那么這一步你可以不做，直接用開發(fā)板提供的devicetree.dtb就可以，否則你需要執(zhí)行以下操作。
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

編譯完成后，在linux內(nèi)核安裝目錄的“arch/arm/boot/dts/”路徑下，會生成很多的設(shè)備樹文件，找到和你開發(fā)板相對應(yīng)的即可。

U-BOOT編譯

一般U-BOOT.BIN文件各個開發(fā)板公司已經(jīng)提供好了，不需要我們自己去制作，這里只說下基本思路。首先要將U-BOOT源碼解壓，其次清理U-Boot，然后使能環(huán)境變量，然后配置U-Boot，然后編譯U-Boot，最后基于Petalinux將編譯生成的u-boot.elf和一級引導(dǎo)Bootloader程序zynq_fsbl.elf合并生成BOOT.BIN。

Xenomai安裝
我們現(xiàn)在需要創(chuàng)建我們的Linux系統(tǒng)需要運行的Xenomai庫和工具，先回到Xenomai源代碼樹，我們需要執(zhí)行以下命令
./scripts/bootstrap

這將使Xenomai源準(zhǔn)備好構(gòu)建我們的工具和庫，如果以上過程中提示要安裝一些軟件和庫，我們只需要按照提示要求安裝即可。

接下來進(jìn)入xenomai源碼目錄，執(zhí)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

繼續(xù)執(zhí)行命令
make DESTDIR=/home/huster/Zynq/xenomai-3.0.5/ install

編譯完成后，會在xenomai源目錄usr/xenomai中找到我們需要的bin工具文件夾和lib庫文件。

注意上一條命令中，install前面有一個空格，而且install是命令不是文件夾，我之前在這里卡了好久，一直沒有生成bin和lib文件夾。

然后直接將bin和lib目錄中的文件直接拷貝到Linux根文件系統(tǒng)中的bin和lib目錄下。如果你想直接將xenomai文件夾直接拷貝到linux根文件系統(tǒng)中的usr中也可以，只不過需要將
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/xenomai/lib:$LD_LIBRARY_PATH

添加到~/.bashrc文件中
source ~/.bashrc

然后執(zhí)行生效
echo $LD_LIBRARY_PATH

查看是否成功

xenomai運行測試
至此，我們已經(jīng)得到linux鏡像zImage文件、U-BOOT.BIN啟動引導(dǎo)文件、rootfs根文件系統(tǒng)、devicetree.dtb設(shè)備樹文件、FPGA的Z-7020.bit文件、以及l(fā)ib庫和工具。將上述文件拷到SD卡相應(yīng)的存儲區(qū)，按照燒寫教程進(jìn)行燒寫，這里不在詳述。

啟動開發(fā)板，會發(fā)現(xiàn)與普通linux系統(tǒng)啟動稍有不同。

系統(tǒng)啟動之后，執(zhí)行以下工具,運行延遲測試
./usr/xenomai/bin/latency

會打印出有關(guān)系統(tǒng)延遲的一些統(tǒng)計信息

說明xenomai系統(tǒng)移植成功，但是由于某種原因，我們的延遲是負(fù)的，這是令人困惑的，而且這是不正確的。后續(xù)將繼續(xù)解決這個問題。

編輯：hfy