Altera FPGA SoC搭建步骤

Altera SoC 官方搭建指南：

https://rocketboards.org/foswiki/Documentation/EmbeddedLinuxBeginnerSGuide

 官方文档中除了讲解搭建方法之外，还有很多原理性的介绍，感兴趣的朋友可以自己阅读。

准备工作：

1. 安装Altera官方提供的IDE (Quartus 和 SoC EDS), 不需要安装DS-5. 文档中的工作是基于v15.0版本

2. 一块FPGA SoC开发板。官方Guide中的硬件平台是友晶系列的DE0-Nano-SoC，但对大多Altera板子都适用

3. 一台Linux主机

4. 一张SD卡

5. 网络可以访问github

搭建步骤：

1. 生成Preloader

2.配置和编译Bootloader (U-Boot)

3. 生成和编译Device Tree

4. 测试系统（一）

5. 配置和编译Linux Kernel

6. 生成Root Filesystem

7. 测试系统（二）

搭建方法：

1. 生成Preloader

• 下载并解压GHRD，并解压至某目录： atlas_linux_ghrd.tar.gz 

tar -xvzf atlas_linux_ghrd.tar.gz

• 运行EDS配置环境变量的脚本

<path-to-soceds-tools>/embedded/embedded_command_shell.sh

• 运行BSP Editor工具：

cd atlas_linux_ghrd
bsp-editor &

将弹出如下窗口：

• 配置BSP Editor： 
  • File→New HPS BSP
  • 在弹出的窗口中，点击"Preloader settings directory"右侧的"..."按钮，选择“atlas_linux_ghrd/hps_isw_handoff/soc_system_hps_0”，然后点击Open。完成后的界面如下图，点击确定：

• • 在生成的窗口中，选中"FAT_SUPPORT"，其他的使用默认，结果如下图：

• • 点击Generate，正常结束后点击Exit退出。

• 编译Preloader.

cd software/spl_bsp ; ls
make

编译结束后将生成如下文件：

• • 新目录 - “uboot-socfpga”
  • 新文件 - “preloader-mkpimage.bin”

2.配置和编译Bootloader (U-Boot)

• 获取U-Boot编译工具: Linaro GCC toolchain for the ARMv7 instruction set，并配置其相关的环境变量

cd ..
wget https://rocketboards.org/foswiki/pub/Documentation/EmbeddedLinuxBeginnerSGuide/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux.tar.xz
tar -xvf gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux.tar.xz

export CROSS_COMPILE=$PWD/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux/bin/arm-linux-gnueabihf-

•  获取U-Boot源代码，查看并切换至相应的tag：

git clone https://github.com/altera-opensource/u-boot-socfpga.git
cd u-boot-socfpga

git tag -l rel*
git tag -l ACDS*
git checkout rel_socfpga_v2013.01.01_15.09.01_pr

• Clean U-Boot目录

make mrproper

• 编译U-Boot

make socfpga_cyclone5_config
make

• 创建boot脚本。在software目录下，新建boot.script文件，并写入如下内容：

echo -- Programming FPGA --
fatload mmc 0:1 $fpgadata soc_system.rbf;
fpga load 0 $fpgadata $filesize;
run bridge_enable_handoff;

echo -- Setting Env Variables --
setenv fdtimage soc_system.dtb;
setenv mmcroot /dev/mmcblk0p2;
setenv mmcload 'mmc rescan;${mmcloadcmd} mmc 0:${mmcloadpart} ${loadaddr} ${bootimage};${mmcloadcmd} mmc 0:${mmcloadpart} ${fdtaddr} ${fdtimage};';
setenv mmcboot 'setenv bootargs console=ttyS0,115200 root=${mmcroot} rw rootwait; bootz ${loadaddr} - ${fdtaddr}';

run mmcload;
run mmcboot;

• 编译boot脚本

mkimage -A arm -O linux -T script -C none -a 0 -e 0 -n "Boot Script Name" -d boot.script u-boot.scr

 编译结束后，将生成"u-boot.scr"文件

3. 生成和编译Device Tree

• 生成Device Tree所需的board xml文件已经存在了。在"atlas_linux_ghrd"目录下，运行如下命令：

sopc2dts --input soc_system.sopcinfo 
  --output soc_system.dts 
  --type dts 
  --board soc_system_board_info.xml 
  --board hps_common_board_info.xml 
  --bridge-removal all 
  --clocks

• 编译Device Tree源代码；

dtc -I dts -O dtb -o soc_system.dtb soc_system.dts

编译结束后，将生成二进制文件："soc_system.dtb"。

4. 测试系统（一）

Preloader和U-Boot已经生成。我们首先，以测试preloader和bootloader编译和烧写成功。

• 制作SD Card image, 生成空值组成的sdcard.img

sudo dd if=/dev/zero of=sdcard.img bs=512M count=1

• 虚拟回环设备(loop device)，并获取回环设备名。红色的X表示不同的环境下可能会有不同，在我的环境下，X=0，即我得到的结果是"/dev/loop0"。

sudo losetup –-show –f sdcard.img
/dev/loopX

• 使用fdisk命令对该回环设备关联的sdcard.img进行分区

sudo fdisk /dev/loopX
-- fdisk welcome message –

Command (m for help):

首先确认，当前sd卡上没有分区：

创建分区3，用来存储preloader image，相应的配置信息如下：

转换分区类型为'a2'

创建分区2,用来存放Linux root文件系统，相应的配置信息如下，且不需要进行分区类型转换：

创建分区1，用来存放启动文件：相应的配置信息如下：

转换分区类型为FAT：

最终的分区信息如下图：

确认无误后，使用"w"命令退出，忽略下图中的错误信息。

•  Kernel对上述改动尚未生效，正如上图中最后一样的提示。Reboot，或者使用"partprobe"命令，使上述改动生效。

sudo partprobe /dev/loopX

• 生成文件系统：

preloader写入分区3：

sudo dd if=software/spl_bsp/preloader-mkpimage.bin of=/dev/loopXp3 bs=64k seek=0

 格式化分区1，成为FAT文件系统：

sudo mkfs –t vfat /dev/loopXp1

格式化分区2，成为ext4文件系统： 

sudo mkfs.ext4 /dev/loopXp2

 挂载分区1(FAT文件系统)，并将拷入之前生成的"u-boot.img", "u-boot.scr"和FPGA的烧写文件"soc_system.rbf".

mkdir temp_mount
sudo mount /dev/loopXp1 ./temp_mount
sudo cp software/u-boot-socfpga/u-boot.img software/u-boot.scr soc_system.dtb soc_system.rbf temp_mount
sync
sudo umount temp_mount

•  烧写SD卡

sudo dd if=sdcard.img of=/dev/XXX bs=2048
sync

•  将SD卡插入FPGA，开机，通过串口调试工具如minicom进行调试，结果是SoC的preloader和bootloader正常启动，但因为我们还没有制作linux kernel和root filesystem, 系统提示如下错误：

5. 配置和编译Linux Kernel

• 获取Linux Kernel源代码，并切换到相应的release:

cd software
git clone https://github.com/altera-opensource/linux-socfpga.git
cd linux-socfpga
git tag –l rel*
git checkout rel_socfpga-4.1_15.09.01_pr

• 配置Linux Kernel，运行环境变量配置脚本，确保新打开的shell的环境变量配置正确：

export CROSS_COMPILE=$PWD/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux/bin/arm-linux-gnueabihf-
<path-to-soceds-tools>/embedded/embedded_command_shell.sh
make ARCH=arm socfpga_defconfig

•  安装图形化的kernel配置工具：

sudo apt-get install libncurses5-dev
make ARCH=arm menuconfig

•  在打开的图形界面里，需要改动2个地方。1. 主菜单进入“General Setup”，取消 “Automatically append version information to the version string”  2. 主菜单进入“Enable the block layer”，选中 “Support for large (2TB+) block devices and files”。然后save到默认的.config文件。
• 编译Linux Kernel (zImage): 

make ARCH=arm LOCALVERSION= zImage

 注意，"LOCALVERSION=" 后面是空格

6. 生成Root Filesystem

• 运行环境变量配置脚本，确保新打开的shell的环境变量配置正确：

export CROSS_COMPILE=$PWD/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux/bin/arm-linux-gnueabihf-

<path-to-soceds-tools>/embedded/embedded_command_shell.sh

• 获取buildroot代码 (Guide中给的地址已经打不开了，自己搜索了buildroot在github上的代码)

cd software
git clone https://github.com/buildroot/buildroot

• 切换到兼容Linaro 2014.09 toolchain的版本：

cd buildroot
git checkout 2015.08.x
cd ..

• 打开配置窗口：

make -C buildroot ARCH=ARM BR2_TOOLCHAIN_EXTERNAL_PATH=$(pwd)/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux nconfig

• 配置Target Options：
  • 在"Target Architecture"选项中，选择"ARM (little endian)"
  • 在"Target Architecture variant"选项中，选中 "cortex-A9"
  • 在"Target ABI"选项中， 选中"EABIhf"
  • Enable “NEON SIMD extension support” 
  • 在“Floating point strategy”选项中， 选中"NEON"
  •  “Target Binary Format” and “ARM Instruction set” 选项保持默认。
• 配置Toolchain：
  • 在“Toolchain type”选项中， 选中 “External toolchain”
  • 确保  “Toolchain” 选项中，选中 “Linaro ARM 2014.09”. 
  • 在“Toolchain origin”选项中， 选中 “Pre-installed toolchain”
  • 忽略"toolchain path"
  • Enable “copy gdb server to the Target”
  • 其他选项保持默认
• 配置System configuration：
  • 配置hostname
  • 配置root password
• 配置Kernel:
  • 去掉“Linux Kernel” 选项的选中状态
• 配置Target packages 
  • 在 “Debugging, profiling and benchmark”选项中, 拖动滚动条到底部并选中 “valgrind”
• 配置结束，F6保存并退出。
• 配置Busy Box

make –C buildroot busybox-menuconfig

在打开的配置窗口中，不做改变保存即可。

• 编译Root Filesystem:

make -C buildroot BR2_TOOLCHAIN_EXTERNAL_PATH=$(pwd)/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-4.9-2014.09_linux all

7. 测试系统2

将编译好的Linux Kernel 拷入SD,并解压Root Filesystem。之后开机登陆root。

sudo cp linux-socfpga/arch/arm/boot/zImage <mount point that lsblk tells you, remember the FAT partition is the 256M one>

sudo tar –xvf buildroot/output/images/rootfs.tar –C <mount point of your ext4 partition, it’s the 254M one>
sync

备份：

1. 一切工作开始前，调整SoC的MSEL开关，至Fast Passive Parallel x16模式，

2. GHRD代表 Golden Hardware Reference Design，它是包含了很多基本功能模块的硬件设计，我们可以用它作为设计参考。

3. 在生成preloader时，我碰到一个找不到二进制文件的错误，但实际上需要的二进制文件已经存在了。问题的原因是编译出的二进制文件是32位的文件，而我的主机用的是64位的Linux。安装32位兼容库即可解决：

sudo apt-get install lib32ncurses5

4. 在生成bootloader时，缺少库文件libz.so.1和工具包，安装之：

sudo apt-get install lib32z1
sudo apt-get install u-boot-tools