《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》第九章 Linux显示设备

正点原子

1）实验平台：正点原子领航者V2 ZYNQ开发板
2)  章节摘自【正点原子】《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609032204975
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-329957-1-1.html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群：90562473

第九章 Linux显示设备的使用

       领航者开发板上有两个显示设备接口，分别为HDMI接口和LCD接口，这两个接口可以用来接HDMI显示器和正点原子的LCD液晶屏，使用图形界面的时候可以通过这两个接口分别显示在HDMI显示器或LCD液晶屏上。本章我们讲解如何使用Petalinux配置Linux内核和设备树来驱动HDMI显示器和LCD液晶屏。

       1.1准备工作
       LCD或者HDMI的显示首先需要硬件层面的支持，也就是需要搭建对应的vivado工程，在第六章当中我们统一使用了正点原子为领航者开发板所配置vivado工程，同样该工程也是开发板出厂时烧录的系统中所使用的工程，对于领航者7020来说，正点原子提供的vivado工程支持LCD和HDMI，但是对于领航者7010来说，其提供的工程不支持HDMI，原因在于7010 PL端逻辑资源较少，为了其它外设能够配置上，故而取消了HDMI。
       除了需要该实验对应的Vivado工程的硬件平台支持外，还需要相应的Linux驱动程序，LCD和HDMI显示设备的驱动程序我们放在了提供的内核源码中。在我们提供的光盘资料：ZYNQ开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\资源文件\kernel目录下有两个内核源码包，分别是linux-xlnx-xilinx-v2018.3.tar.gz和alientek-linux-4.14.0-xlnx-v2018.3.tar.gz，前者是Xilinx官方提供的Linux内核源码包，后者是正点原子针对于领航者开发板进行移植、修改的Linux内核源码包，里面添加了适用于领航者开发板的驱动程序。
       我们将alientek-linux-4.14.0-xlnx-v2018.3.tar.gz拷贝到ubuntu系统中，如下所示：

图 9.1.1 将Linux源码拷贝到Ubuntu系统

       接下来将其解压，对应的解压目录就是内核源码目录，这个解压目录大家可以自己设置，笔者这里选择将其解压到用户家目录下的work/linux-4.14目录中：

1. mkdir -p ~/work/linux-4.14                                                //创建目录
   
2. tar -xzf alientek-linux-4.14.0-xlnx-v2018.3.tar.gz -C ~/work/linux-4.14/                //解压
   
3. sync                        //同步
   
4. rm -rf alientek-linux-4.14.0-xlnx-v2018.3.tar.gz                //删除压缩包文件

复制代码

图 9.1.2 解压Linux内核源码

       解压完成后，进入到work/linux-4.14目录下，可看到linux内核源码目录结构，如下图所示：

图 9.1.3 linux内核源码目录

       接下来再将U-Boot源码拷贝到Ubuntu系统中，同样这里也是使用正点原子针对于领航者开发板进行移植、修改过的U-Boot源码包，而不再使用petalinux默认的U-Boot源码，在开发板资料包：ZYNQ开发板资料盘(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\资源文件\uboot目录下也有两个U-Boot源码压缩包文件，分别是u-boot-xlnx-xilinx-v2018.3.tar.gz和alientek-uboot-2018.01-xlnx-v2018.3.tar.gz，同理u-boot-xlnx-xilinx-v2018.3.tar.gz是Xilinx官方提供的原版U-Boot源码包，而alientek-uboot-2018.01-xlnx-v2018.3.tar.gz便是正点原子针对于领航者开发板进修改过的U-Boot源码包，这里我们将alientek-uboot-2018.01-xlnx-v2018.3.tar.gz压缩包文件拷贝到Ubuntu系统中，如下所示：

图 9.1.4 将U-Boot源码拷贝到Ubuntu系统

       接下来将其解压，对应的解压目录就是U-Boot源码目录，这个解压目录大家可以自己设置，笔者这里选择将其解压到用户家目录下的work/uboot-2018.01目录中：

1. mkdir ~/work/uboot-2018.01
   
2. tar -xzf alientek-uboot-2018.01-xlnx-v2018.3.tar.gz -C ~/work/uboot-2018.01/
   
3. sync
   
4. rm -rf alientek-uboot-2018.01-xlnx-v2018.3.tar.gz

复制代码

图 9.1.5 解压U-Boot源码包

        解压完成后，进入到work/uboot-2018.01目录下，可看到U-Boot源码目录结构，如下图所示：

图 9.1.6 U-Boot源码目录结构

       至此我们准备工作就已经完成了，接下来需要对petalinux工程进行配置。
      1.2配置Petalinux工程
       进入到第六章创建的Petalinux工程目录下，输入如下命令，设置Petalinux运行所需的环境变量

1. source /opt/pkg/petalinux/2018.3/settings.sh

复制代码

       大家根据自己的安装路径修改settings.sh脚本文件的路径信息，如果当前终端已经source了该脚本文件，则无需再次source。
       现在重新配置petalinux，重新设置Linux内核的来源，输入如下命令：

1. petalinux-config

复制代码

       在弹出的配置窗口中，进入到“Linux Components Selection--->linux-kernel(linux-xlnx)”菜单下，配置Linux内核来源。此处选择“ext-local-src”，也就是本地存放的Linux内核源码，如下图所示：

图 9.2.1 选择“ext-local-src”

       按键盘上的下方向键移到“ext-local-src”，然后按键盘上的“Enter“键确定，返回到上一界面，如下图所示：

图 9.2.2 返回到上一界面

       进入“External linux-kernel local source settings”子菜单，如下图所示：

图 9.2.3 “External linux-kernel local source settings”子菜单

       按键盘上的“Enter”键配置“EXternal linux-kernel local source path”，如下图所示：

图 9.2.4 填写Linux内核源码的本地路径

       也就是填写Linux内核源码的本地路径，上一节我们将Linux内核源码解压到了Ubuntu系统/home/zynq/work/linux-4.14目录，所以此处填写该目录，大家根据自己的路径填写即可，填写完成后，按键盘上的“Enter”键完成配置，返回到上一界面，如下图所示：

图 9.2.5 本地内核源码配置完成

        Linux内核源码来源配置完成之后，接着配置U-Boot源码来源，连按两次ESC键回到上一级菜单，选择“u-boot (u-boot-xlnx)  --->”配置项，按回车设置U-Boot源码来源，同样这里我们也是选择“ext-local-src”，也就是本地存放的U-Boot源码，如下所示：

图 9.2.6 选择“ext-local-src”

       按键盘上的下方向键移到“ext-local-src”，然后按键盘上的“Enter“键确定，返回到上一界面，如下图所示：

图 9.2.7 返回上一级菜单

       进入“External u-boot local source settings”子菜单，如下图所示：

图 9.2.8 “External u-boot local source settings”子菜单

        按键盘上的“Enter”键配置“EXternal u-boot local source path”，如下图所示：

图 9.2.9 配置本地U-Boot源码路径

       这里填写本地U-Boot源码路径，上一节我们将U-Boot源码解压到了Ubuntu系统/home/zynq/work/uboot-2018.01目录，所以此处填写该目录，大家根据自己的路径填写即可，填写完成后，按键盘上的“Enter”键完成配置，返回到上一界面，如下图所示：

图 9.2.10 配置完成

       至此我们就配置完成了，接下来保存petalinux工程配置信息，退出配置界面即可。
       1.3配置Linux内核
       正点原子提供的Linux内核默认都是配置好的，无需配置。这里给大家找一下该内核源码中对应的LCD或HDMI驱动模块配置项，在终端中输入如下命令：

1. petalinux-config -c kernel

复制代码

       弹出Linux内核的配置窗口。在内核配置窗口中，进入“Device Drivers”菜单下的“Graphics support”菜单下，

图 9.3.1 “Graphics support”菜单

       可以看到默认配置了“Xilinx LCD framebuffer driver support By Alientek”，该驱动可以用来驱动HDMI和LCD的显示。
       在“Device Drivers”菜单下的“Common Clock Framework”菜单下，可以看到默认配置了“Digilent axi_dynclk Driver”，该驱动可以根据不同的分辨率输出不同的像素时钟。
       至此，内核方面的配置也就完成了。保存并退出，进入下一步，配置设备树。
       1.4配置设备树
       编辑当前工程目录下的project-spec/meta-user/recipes-bsp/device-tree/files/system-user.dtsi文件。由于修改后system-user.dtsi文件内容太长，此处就不全部粘贴了，下面给大家粘贴出在第6.2.7小节配置的基础上追加的内容。
       对于领航者7010来说，正点原子配置的vivado工程并不支持HDMI，原因前面已经给大家解释过了，所以不需要添加HDMI相关的配置信息，所以领航者7010来说，对应需要添加的配置信息如下：

1. &PWM_0 {
   
2.     compatible = "digilent,axi-pwm";
   
3.     #pwm-cells = <2>;
   
4.     clock-names = "pwm";
   
5.     npwm = <1>;
   
6. };
   
7. 
   
8. &lcd_vtc {
   
9.     compatible = "xlnx,v-tc-5.01.a";
   
10. };
    
11. 
    
12. &lcd_vdma {
    
13.     dma-ranges = <0x00000000 0x00000000 0x20000000>;    // 512MB
    
14. };
    
15. 
    
16. &amba_pl {
    
17.     xlnx_vdmafb_lcd {
    
18.         compatible = "xilinx,vdmafb";
    
19.         status = "okay";
    
20. 
    
21.         vtc = <&lcd_vtc>;
    
22.         clocks = <&clk_wiz_0 0>;
    
23.         clock-names = "lcd_pclk";
    
24.         dmas = <&lcd_vdma 0>;
    
25.         dma-names = "lcd_vdma";
    
26. 
    
27.         pwms = <&PWM_0 0 5000000>;
    
28.         reset-gpio = <&gpio0 61 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
29.         lcdID-gpio = <&gpio1 0 0 GPIO_ACTIVE_LOW &gpio1 1 0 GPIO_ACTIVE_LOW &gpio1 2 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
30. 
    
31.         display-timings {
    
32.             timing_4342: timing0 {
    
33.                 clock-frequency = <9000000>;
    
34.                 hactive = <480>;
    
35.                 vactive = <272>;
    
36.                 hback-porch = <40>;
    
37.                 hfront-porch = <5>;
    
38.                 hsync-len = <1>;
    
39.                 vback-porch = <8>;
    
40.                 vfront-porch = <8>;
    
41.                 vsync-len = <1>;
    
42.                 hsync-active = <0>;
    
43.                 vsync-active = <0>;
    
44.                 de-active = <1>;
    
45.                 pixelclk-active = <0>;
    
46.             };
    
47.             timing_4384: timing1 {
    
48.                 clock-frequency = <31000000>;
    
49.                 hactive = <800>;
    
50.                 vactive = <480>;
    
51.                 hback-porch = <88>;
    
52.                 hfront-porch = <40>;
    
53.                 hsync-len = <48>;
    
54.                 vback-porch = <32>;
    
55.                 vfront-porch = <13>;
    
56.                 vsync-len = <3>;
    
57.                 hsync-active = <0>;
    
58.                 vsync-active = <0>;
    
59.                 de-active = <1>;
    
60.                 pixelclk-active = <0>;
    
61.             };
    
62.             timing_7084: timing2 {
    
63.                 clock-frequency = <33300000>;
    
64.                 hactive = <800>;
    
65.                 vactive = <480>;
    
66.                 hback-porch = <46>;
    
67.                 hfront-porch = <210>;
    
68.                 hsync-len = <1>;
    
69.                 vback-porch = <23>;
    
70.                 vfront-porch = <22>;
    
71.                 vsync-len = <1>;
    
72.                 hsync-active = <0>;
    
73.                 vsync-active = <0>;
    
74.                 de-active = <1>;
    
75.                 pixelclk-active = <0>;
    
76.             };
    
77.             timing_7016: timing3 {
    
78.                 clock-frequency = <51200000>;
    
79.                 hactive = <1024>;
    
80.                 vactive = <600>;
    
81.                 hback-porch = <140>;
    
82.                 hfront-porch = <160>;
    
83.                 hsync-len = <20>;
    
84.                 vback-porch = <20>;
    
85.                 vfront-porch = <12>;
    
86.                 vsync-len = <3>;
    
87.                 hsync-active = <0>;
    
88.                 vsync-active = <0>;
    
89.                 de-active = <1>;
    
90.                 pixelclk-active = <0>;
    
91.             };
    
92.             timing_1018: timing4 {
    
93.                 clock-frequency = <71100000>;
    
94.                 hactive = <1280>;
    
95.                 vactive = <800>;
    
96.                 hback-porch = <80>;
    
97.                 hfront-porch = <70>;
    
98.                 hsync-len = <10>;
    
99.                 vback-porch = <10>;
    
100.                 vfront-porch = <10>;
     
101.                 vsync-len = <3>;
     
102.                 hsync-active = <0>;
     
103.                 vsync-active = <0>;
     
104.                 de-active = <1>;
     
105.                 pixelclk-active = <0>;
     
106.             };
     
107.         };
     
108.     };
     
109. };

复制代码

       如果大家用的开发板是领航者7010，则直接将上面内容copy出来粘贴到system-user.dtsi设备树文件原有内容的最后面即可，也就是在原有内容的基础上追加以上内容。
       对于领航者7020来说，对应需要添加的配置信息如下：

1. &pwm_0 {
   
2.     compatible = "digilent,axi-pwm";
   
3.     #pwm-cells = <2>;
   
4.     clock-names = "pwm";
   
5.     npwm = <1>;
   
6. };
   
7. 
   
8. &lcd_vtc {
   
9.     compatible = "xlnx,v-tc-5.01.a";
   
10. };
    
11. 
    
12. &lcd_vdma {
    
13.     dma-ranges = <0x00000000 0x00000000 0x40000000>;    // 1GB
    
14. };
    
15. 
    
16. &hdmi_vtc {
    
17.     clocks = <&hdmi_dynclk>, <&clkc 15>;
    
18.     compatible = "xlnx,v-tc-5.01.a";
    
19. };
    
20. 
    
21. &hdmi_dynclk {
    
22.     compatible = "digilent,axi-dynclk";
    
23.     #clock-cells = <0>;
    
24. };
    
25. 
    
26. &hdmi_vdma {
    
27.     dma-ranges = <0x00000000 0x00000000 0x40000000>;    // 1GB
    
28. };
    
29. 
    
30. &amba_pl {
    
31.     xlnx_vdmafb_lcd {
    
32.         compatible = "xilinx,vdmafb";
    
33.         status = "okay";
    
34. 
    
35.         vtc = <&lcd_vtc>;
    
36.         clocks = <&clk_wiz_0 0>;
    
37.         clock-names = "lcd_pclk";
    
38.         dmas = <&lcd_vdma 0>;
    
39.         dma-names = "lcd_vdma";
    
40. 
    
41.         pwms = <&pwm_0 0 5000000>;
    
42.         reset-gpio = <&gpio0 61 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
43.         lcdID-gpio = <&gpio1 0 0 GPIO_ACTIVE_LOW &gpio1 1 0 GPIO_ACTIVE_LOW &gpio1 2 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    
44. 
    
45.         display-timings {
    
46.             timing_4342: timing0 {
    
47.                 clock-frequency = <9000000>;
    
48.                 hactive = <480>;
    
49.                 vactive = <272>;
    
50.                 hback-porch = <40>;
    
51.                 hfront-porch = <5>;
    
52.                 hsync-len = <1>;
    
53.                 vback-porch = <8>;
    
54.                 vfront-porch = <8>;
    
55.                 vsync-len = <1>;
    
56.                 hsync-active = <0>;
    
57.                 vsync-active = <0>;
    
58.                 de-active = <1>;
    
59.                 pixelclk-active = <0>;
    
60.             };
    
61.             timing_4384: timing1 {
    
62.                 clock-frequency = <31000000>;
    
63.                 hactive = <800>;
    
64.                 vactive = <480>;
    
65.                 hback-porch = <88>;
    
66.                 hfront-porch = <40>;
    
67.                 hsync-len = <48>;
    
68.                 vback-porch = <32>;
    
69.                 vfront-porch = <13>;
    
70.                 vsync-len = <3>;
    
71.                 hsync-active = <0>;
    
72.                 vsync-active = <0>;
    
73.                 de-active = <1>;
    
74.                 pixelclk-active = <0>;
    
75.             };
    
76.             timing_7084: timing2 {
    
77.                 clock-frequency = <33300000>;
    
78.                 hactive = <800>;
    
79.                 vactive = <480>;
    
80.                 hback-porch = <46>;
    
81.                 hfront-porch = <210>;
    
82.                 hsync-len = <1>;
    
83.                 vback-porch = <23>;
    
84.                 vfront-porch = <22>;
    
85.                 vsync-len = <1>;
    
86.                 hsync-active = <0>;
    
87.                 vsync-active = <0>;
    
88.                 de-active = <1>;
    
89.                 pixelclk-active = <0>;
    
90.             };
    
91.             timing_7016: timing3 {
    
92.                 clock-frequency = <51200000>;
    
93.                 hactive = <1024>;
    
94.                 vactive = <600>;
    
95.                 hback-porch = <140>;
    
96.                 hfront-porch = <160>;
    
97.                 hsync-len = <20>;
    
98.                 vback-porch = <20>;
    
99.                 vfront-porch = <12>;
    
100.                 vsync-len = <3>;
     
101.                 hsync-active = <0>;
     
102.                 vsync-active = <0>;
     
103.                 de-active = <1>;
     
104.                 pixelclk-active = <0>;
     
105.             };
     
106.             timing_1018: timing4 {
     
107.                 clock-frequency = <71100000>;
     
108.                 hactive = <1280>;
     
109.                 vactive = <800>;
     
110.                 hback-porch = <80>;
     
111.                 hfront-porch = <70>;
     
112.                 hsync-len = <10>;
     
113.                 vback-porch = <10>;
     
114.                 vfront-porch = <10>;
     
115.                 vsync-len = <3>;
     
116.                 hsync-active = <0>;
     
117.                 vsync-active = <0>;
     
118.                 de-active = <1>;
     
119.                 pixelclk-active = <0>;
     
120.             };
     
121.         };
     
122.     };
     
123. 
     
124.     xlnx_vdmafb_hdmi {
     
125.         compatible = "xilinx,vdmafb";
     
126.         status = "okay";
     
127. 
     
128.         vtc = <&hdmi_vtc>;
     
129.         clocks = <&hdmi_dynclk>;
     
130.         clock-names = "lcd_pclk";
     
131.         dmas = <&hdmi_vdma 0>;
     
132.         dma-names = "lcd_vdma";
     
133. 
     
134.         hdmi;
     
135. 
     
136.         display-timings {
     
137.             timing_1080p: timing5 {
     
138.                 clock-frequency = <148500000>;
     
139.                 hactive = <1920>;
     
140.                 vactive = <1080>;
     
141.                 hback-porch = <148>;
     
142.                 hsync-len = <44>;
     
143.                 hfront-porch = <88>;
     
144.                 vback-porch = <36>;
     
145.                 vsync-len = <5>;
     
146.                 vfront-porch = <4>;
     
147.                 hsync-active = <0>;
     
148.                 vsync-active = <0>;
     
149.                 de-active = <0>;
     
150.                 pixelclk-active = <1>;
     
151.             };
     
152.         };
     
153.     };
     
154. };

复制代码

       如果大家用的开发板是领航者7020，则直接将上面内容copy出来粘贴到system-user.dtsi设备树文件原有内容的最后面即可，也就是在原有内容的基础上追加以上内容。
领航者7010开发板和领航者7020开发板所需要添加的设备树配置信息不一样，其主要在于领航者7010没有支持HDMI，所以设备树当中自然也就没有添加对应的配置信息。在上面添加的内容当中可以看到有很多timing节点，这些其实就是对应的LCD屏或HDMI的时序参数信息，譬如timing_4342表示正点原子4.3寸480*272屏幕所对应的时序参数，其它的timing节点同样也是如此。支持的LCD屏包括正点原子推出的4.3寸800*480和4.3寸480*272、7寸800*480、7寸1024*600以及10.1寸1280*800。
配置完了设备树之后，保存退出，接下来就编译Petalinux工程了。
       1.5编译Petalinux工程
       现在我们编译整个Petalinux工程，在终端输入如下命令：

1. petalinux-build

复制代码

       执行结果如下图所示：

图 9.5.1 编译petalinux工程

       1.6制作BOOT.BIN启动文件并复制到SD卡
       使用下面命令生成 BOOT文件：

1. petalinux-package --boot --fsbl --fpga --u-boot --force

复制代码

       执行结果如下图所示：

图 9.6.1 生成BOOT文件

       将image/linux目录下的BOOT.BIN和image.ub文件拷贝到SD启动卡的第一个分区，也就是FAT32分区，如下图所示：

图 9.6.2 拷贝镜像文件到SD卡

       拷贝完成之后，现在可以卸载SD卡了。
       1.7在开发板上启动Linux
       将SD卡插入领航者开发板的SD卡槽，然后通过USB Type-C连接线将开发板USB调试串口与电脑USB口相连，连接电源线、设置开发板启动模式为SD Card，使用软排线将LCD屏连接到开发板，接下来打开电源开关、启动开发板，连接串口终端，打印信息如下所示：

图 9.7.1 内核启动打印信息

       启动成功之后，LCD屏将会作为终端出现用户登录提示信息：

图 9.7.2 LCD屏显示信息

        此时可以在领航者开发板USB HOST接口上连接一副USB键盘，使用键盘输入用户名和密码就可以登录Linux系统了（登录的用户名为root，密码为：root），登录成功之后大家就可以通过LCD终端来进行相关的操作了，譬如输入Linux命令、执行Linux命令并打印显示Linux命令运行结果，此处我们就不演示了。
        至此我们完成了本章的内容。