linux構築｜低レイヤを学ぶ

１．記事一覧
２．目次
３．環境
４．ビルド環境の構築
５．Linuxカーネルのmenuconfig設定
６．Linuxカーネルのビルド
７．最後に

１．記事一覧

記事は複数回に分けて投稿します。Zynq7020SoCで動作する、YoctoベースのPetaLinuxを使わない素のLinuxを構築します。

ZynqMP(arm64版)はこちら

エッジArm Linux構築編(armv7l)

【Zynq7】Yoctoを使わずに素のLinuxをソースから構築する
【Zynq7】１．FSBL(1stStageBootLoader)の構築
【Zynq7】２．U-bootの構築
【Zynq7】３．Linuxカーネルの構築　←本ページ
【Zynq7】４．Zyboz7ボードのデバイスツリー構築
【Zynq7】５．RootFSのマウント(Ubuntu18.04)
【Zynq7】６．カーネルモジュールの配置
【Zynq7】番外編１．u-bootが途中で止まる問題
【Zynq7】番外編２．MACアドレスをQSPIFlashから読み出して設定する

エッジArm Linux実践編(armv7l)

２．目次

この記事ではlinuxの構築を行い、カーネルイメージ(uImage)ファイルを生成します。
uImageは起動用SDカードのbootパーティションに配置されます。

１．記事一覧
２．目次
３．環境
４．ビルド環境の構築
５．Linuxカーネルのmenuconfig設定
６．Linuxカーネルのビルド
- 6-1. ビルド実行
- 6-2. カーネルイメージの確認
７．最後に

３．環境

開発PC	Ubuntu20.04, intel core i5 750 RAM 16G
Docker	Docker Engine v23.0.0, Ubuntu20.04 base image 【追記2023/5】Ubuntu22.04 Docker imageでLinuxカーネルビルドに失敗することがありました。原因は20.04→22.04でarm-linux-gnueabihf-gccがver9→ver11 に変わり、armv7hf gccの仕様が変わったかららしいです。 Linux kernel v6.1(tag=xilinx-v2023.1)ではgcc11でビルドできました。
ターゲットボード	Digilent Zybo z7-20 Rev.B.2(XC7Z020-1CLG400C, DDR3 1GB)
Linuxカーネル	XilinxがGitHubで提供するソースコード tag=xilinx-v2022.2 Linux kernel v5.15 https://github.com/Xilinx/linux-xlnx/tree/xilinx-v2022.2
mkimage	ubootに対応したLinuxカーネルイメージを生成するツール XilinxがGithubで提供するソースを使用。tag=xilinx-v2022.2 u-boot 2022.01 https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx/tree/xilinx-v2022.2

u-boot構築に引き続き、Linuxカーネルのビルド環境にはDockerコンテナ環境を使用します。理由は私の開発PCではすでに別の開発環境が入っており、クリーンでないからです。再現性を高めるためなので、必ずしも使う必要はなく、直接開発PC上に環境構築しても問題ありません。

４．ビルド環境の構築

前記事のu-bootの構築で使用した、Dockerコンテナ環境を使用します。

4-1. mkimageのインストール

前回u-bootのgitリポジトリをcloneしてありますので、そこからmkimageコマンドを持ってきます。

Bash

sudo cp ./u-boot-xlnx/tools/mkimage /usr/local/bin/

4-2. Linuxカーネルクロスビルド環境変数(zynq7なのでarmv7l)

Bash

$ export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

4-3. libncurses-devのインストール

この後menuconfigによる設定を行う際、画面表示するために必要です。

Bash

$ sudo apt install libncurses-dev

4-4. bcコマンドのインストール

makeコマンドの内部処理で必要になります。

Bash

$ sudo apt install bc

５．Linuxカーネルのmenuconfig設定

5-1. Linuxカーネルソースのclone

適当な作業用フォルダを作成し、git cloneします。

Bash

$ mkdir linux_wk
$ cd linux_wk
$ git clone https://github.com/Xilinx/linux-xlnx.git -b xilinx-v2022.2 --depth 1

5-2. menuconfigの起動

まず、zynq標準defconfigで初期化します。

Bash

$ cd linux-xlnx
$ make ARCH=arm xilinx_zynq_defconfig

menuconfigを起動します。

Bash

$ make ARCH=arm menuconfig

以下の画面が表示されます。

5-3. menuconfigについて

標準defconfigで初期化された後はほとんどのドライバが無効になっているため、必要に応じて有効化します。なひたふ氏の書籍では

USB-Host、USB-LAN(USB接続EtherのLSI)、USBWifiドングル、USBHubの有効化
RTC(Real Time Clock)デバイスの有効化
画像表示(フレームバッファ)の有効化

といった例を解説されています。今回は各デバイスが用意できず確認できないため、バージョン名を改変とUSB機能周りを有効化して終えます。残りは別の機会に遊んでみます。
また、Linux起動後にSSHでログインを使うためのGigabitEtherはデフォルトで使えます。

5-4. menuconfig操作方法

基本的にキーボード操作です。上下矢印キーでカーソル移動、左右矢印キーで<Select><Exit><Help><Save><Load>を移動します。<Select>でEnterを押すと選択されているカーソル項目の中の階層に入ります。<Exit>でEnterで上の階層に戻ります。

半角スペースキーで項目の有効(*)/無効( )/ローダブルモジュール(M)の３つを切り替えます。有効は組込みモジュール、ローダブルモジュールは必要になったときのみ読み込むモジュールです。

5-5. カーネルバージョン名の変更

General setup>Local versionを選択し、製品名などに書き換えることができます。
今回は適当に"-zyboz7_custom"に変えておきます。

最後はトップ階層で<Exit>でデータ保存をyesにします。保存データの.configはlinux-xlnx/.configにあります。

5-6. USB機能の有効化

DeviceDriver > USB Support > USB announce new devicesを有効(*)にします。
DeviceDriver > USB Support > OTG supportを有効(*)にします。

それと私個人的にUSBシリアルデバイスでマイコン間通信しようと考えているので、
以下をカーネルイメージに組込みます。
DeviceDriver > USB Support > USB Serial Converter support を有効(*)して中に入る DeviceDriver > USB Support > USB Serial Converter support > USB Generic Serial Driverを有効(*) USB Serial Simple Driverを有効(*) USB Winchiphead CH341 Single Port Serial Driverを有効(*) USB CP210x family of UART Bridge Controllersを有効(*) USB FTDI Single Port Serial Driverを有効(*)

６．Linuxカーネルのビルド

6-1. ビルド実行

linux-xlnxフォルダ直下でビルドを実行します。
時間がかかるので、並列Jobオプション(-j*)をつけて高速化します。開発PCのMAX論理コア数+1個の並列数までにします。私の環境だとMAX -j5になります。

Bash

$ make -j5 ARCH=arm UIMAGE_LOADADDR=0x8000 uImage
...
Kernel: arch/arm/boot/uImage is ready #<--ビルド成功

ビルドが終わると上記のメッセージが出ます。20分程かかりました。
linux-xlnx/arch/arm/boot/uImageにカーネルイメージができています。

6-2. カーネルイメージの確認

ヘッダ情報を見てみます。

Bash

$ mkimage -l uImage
Image Name: Linux-5.15.0-zyboz7_custom
Created: Mon Feb 13 10:12:50 2023
Image Type: ARM Linux Kernel Image (uncompressed)
Data Size: 4598256 Bytes = 4490.48 KiB = 4.39 MiB
Load Address: 00008000
Entry Point: 00008000