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从零开始让PetaLinux“认出”你的自定义外设：一次真实的内核适配实战

最近在做一个基于Zynq-7000的工业采集板项目，客户给了一个非标准载板，上面挂了几个定制的AXI外设——一个高速GPIO控制模块、一个带中断的ADC接口IP，还有一个私有协议的传感器控制器。这些都不是Xilinx官方IP库里的标准组件，意味着PetaLinux默认内核根本“看不见”它们。

怎么办？只能自己动手，让内核认识它。

这篇文章不讲大道理，也不堆术语，就带你走一遍从硬件设计到Linux系统成功识别新外设的真实流程。你会看到设备树怎么写、驱动怎么配、哪里容易踩坑，以及最关键的：当dmesg里啥都没打出来时，我到底是怎么一步步查出来的。

工程起点：从Vivado导出硬件平台

一切始于.xsa文件。

你在 Vivado 里搭好了 Block Design，所有 AXI 外设都连上了 Processing System（PS），地址自动分配完毕，中断也接到了 GP 中断口上。关键一步是：

必须确保每个自定义IP都有正确的IP元数据！

什么意思？

比如你用Vivado创建了一个AXI GPIO IP，它的HDL代码中应该包含类似这样的注释或XML描述：

<!-- Example: axi_gpio_custom_v1_0.tcl --> set sw_proc_prop_list [list \ "compatible=xlnx,axi-gpio-custom-1.0" \ "reg=0x41200000;0x10000" \ ]

如果你没改过，默认可能是xlnx,axi-gpio-2.0这种通用名字。但如果你的驱动要匹配特定行为，最好改成自己的compatible字符串，比如mycorp,fast-gpio-v1。

为什么重要？因为设备树和驱动靠这个“对暗号”。

最后导出.xsa文件：

File → Export → Export Hardware → Include bitstream (可选) → Generate

生成的文件通常在project_name.sdk/或运行目录下，叫project_name_wrapper.xsa。

第一步：创建PetaLinux工程并导入硬件

打开终端，进入工作区：

petalinux-create -t project -n my-industrial-project --template zynq cd my-industrial-project petalinux-config --get-hw-description=../vivado_project/project_name.sdk/

这三步很基础，但第三步最关键。

--get-hw-description实际上会调用内部工具解析.xsa中的 XML 描述，自动生成以下内容：

• project-spec/configs/kernel_config
• project-spec/configs/rootfs_config
• project-spec/hw-description/system-top.dts
• project-spec/meta-user/recipes-bsp/u-boot/files/bootargs.h

特别是那个system-top.dts，就是初始设备树源码，已经包含了你PL端所有IP的节点模板！

你可以去看看：

cat project-spec/hw-description/system-top.dts

会发现类似这样的片段：

amba_pl: amba_pl { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; compatible = "simple-bus"; ranges; axi_gpio_0: gpio@41200000 { compatible = "xlnx,axi-gpio-2.0"; reg = <0x41200000 0x10000>; xlnx,gpio-width = <0x2>; interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 30 4>; }; };

看到了吗？地址、中断、兼容性全都自动填好了。这就是PetaLinux最省事的地方。

但问题来了：如果我的IP不在标准列表里怎么办？或者我想加点额外配置？

答案是：别动system-top.dts，而是去改project-spec/meta-user/common/conf/system-user.dtsi。

第二步：修改设备树，让内核“看见”你的设备

.dtsi是用户级设备树补丁文件，会被自动合并进最终的.dtb。

假设我们有一个叫sensor_ctrl的自定义IP，地址是0x43C00000，支持中断，compatible应该是"mycorp,sensor-controller-v1"。

编辑system-user.dtsi：

/dts-v1/; /include/ "system-conf.dtsi" / { amba_pl: amba { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; compatible = "simple-bus"; ranges; sensor_ctrl: sensor@43c00000 { compatible = "mycorp,sensor-controller-v1"; reg = <0x43c00000 0x10000>; interrupt-parent = <&intc>; interrupts = <0 61 4>; // SPI ID 61, edge-triggered clock-names = "s_axi_aclk"; clocks = <&clkc 15>; // S_AXI_ACLK, usually clk15 status = "okay"; }; }; };

几点说明：

• interrupts = <0 61 4>：第一个0表示SPI中断；61是GIC中的中断号（可在Vivado Address Editor里查）；4代表上升沿触发。
• clocks = <&clkc 15>：告诉内核这个设备依赖哪个时钟，避免电源管理误关。
• status = "okay"：启用该设备。如果不写，默认可能是disabled。

保存后，不需要手动编译设备树。只要执行petalinux-build，它就会自动合并生成新的.dtb。

✅ 小技巧：可以用petalinux-build -c kernel -v查看设备树编译过程，确认是否报错。

第三步：确保内核有对应的驱动能“接住”这个设备

现在设备树写了，但如果你的compatible = "mycorp,sensor-controller-v1"在内核里没人认，那还是白搭。

有两种方式处理：

方式一：使用已有的平台驱动（推荐先尝试）

很多Xilinx原生驱动支持通配匹配。比如drivers/gpio/gpio-xilinx.c支持：

static const struct of_device_id xgpio_of_match[] = { { .compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a", }, { .compatible = "xlnx,axi-gpio-1.00.a", }, { .compatible = "xlnx,axi-gpio-2.0", }, { }, // 空项结尾 };

所以如果你只是普通GPIO功能，哪怕是你自己封装的IP，只要寄存器结构一致，完全可以复用这个驱动。

做法很简单：把你的compatible写成"xlnx,axi-gpio-2.0"，然后在设备树里加上必要的属性，如xlnx,gpio-width。

方式二：添加自定义驱动（真正需要编码的情况）

如果你的IP有特殊逻辑，比如带状态机、DMA传输、专用命令寄存器等，就得写驱动了。

步骤1：准备驱动源码

新建目录结构：

mkdir -p project-spec/meta-user/recipes-modules/sensor-driver/files/ cp sensor_driver.c project-spec/meta-user/recipes-modules/sensor-driver/files/

写一个极简字符设备示例（用于调试验证）：

// sensor_driver.c #include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/platform_device.h> #include <linux/of.h> #include <linux/io.h> #define DRIVER_NAME "sensor_controller" static int sensor_probe(struct platform_device *pdev) { struct resource *res; void __iomem *base; dev_info(&pdev->dev, "Probing custom sensor controller...\n"); res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res); if (IS_ERR(base)) return PTR_ERR(base); dev_info(&pdev->dev, "Mapped registers at %pa\n", &res->start); // TODO: 初始化硬件、申请中断、注册字符设备等 return 0; } static int sensor_remove(struct platform_device *pdev) { dev_info(&pdev->dev, "Device removed.\n"); return 0; } static const struct of_device_id sensor_of_match[] = { { .compatible = "mycorp,sensor-controller-v1" }, { } }; MODULE_DEVICE_TABLE(of, sensor_of_match); static struct platform_driver sensor_driver = { .probe = sensor_probe, .remove = sensor_remove, .driver = { .name = DRIVER_NAME, .of_match_table = sensor_of_match, }, }; module_platform_driver(sensor_driver); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("Driver for MyCorp Sensor Controller");

步骤2：编写 .bbappend 文件

为了让PetaLinux知道要编译这个驱动，你需要添加构建规则。

创建：

touch project-spec/meta-user/recipes-modules/sensor-driver/sensor-driver.bbappend

内容如下：

FILESEXTRAPATHS_prepend := "${THISDIR}/files:" SRC_URI += "file://sensor_driver.c" S = "${WORKDIR}" inherit module do_install() { install -d ${D}${base_libdir}/modules/${KERNEL_VERSION}/extra install -m 0644 ${KERNEL_OUTPUT_DIR}/sensor_driver.ko \ ${D}${base_libdir}/modules/${KERNEL_VERSION}/extra/ } FILES_${PN} += "${base_libdir}/modules/${KERNEL_VERSION}/extra/sensor_driver.ko"

步骤3：启用模块支持

进入内核配置：

petalinux-config -c kernel

确保开启：
-Enable loadable module support→ Yes
- 可选：关闭不必要的驱动以减小体积

退出并保存。

第四步：构建、烧录、启动、验证

回到主工程目录，构建整个系统：

petalinux-build

完成后生成镜像在images/linux/目录下：
-BOOT.BIN：FSBL + U-Boot + FPGA bitstream（若包含）
-image.ub：U-Boot可加载的内核镜像（含设备树）

通过JTAG或SD卡烧录到开发板，串口打开终端（115200 8N1），观察输出。

验证步骤：

1. 检查设备树是否加载成功
   bash cat /proc/device-tree/soc/sensor@43c00000/compatible
   输出应为：mycorp,sensor-controller-v1

2. 查看内核日志是否有 probe 打印
   bash dmesg | grep sensor
   如果一切正常，你会看到：
   [ 5.123456] sensor_controller: Probing custom sensor controller... [ 5.123457] sensor_controller: Mapped registers at 0x43c00000

3. 检查模块是否加载
   bash lsmod | grep sensor

4. 手动加载模块（如果是模块化编译）
   bash insmod /lib/modules/$(uname -r)/extra/sensor_driver.ko

调试秘籍：当一切看起来都对，但就是没反应

这是我花了一整天才解决的问题清单：

❌ 问题1：dmesg完全没有打印，设备也没出现

排查思路：

• 检查.xsa是否真的包含了你的IP？
• 打开 Vivado → Address Editor → 看有没有未连接或地址冲突。
• 设备树节点拼写错误？标签用了-而不是_？
• compatible字符串完全一致？注意大小写、版本号。
• 驱动的of_match_table结尾是不是少了{}？
• 平台驱动注册了吗？module_platform_driver()是否被调用？

🔍 秘技：在驱动init函数里加个printk("HELLO FROM INIT\n");，看会不会打出。如果没有，说明驱动根本没进。

❌ 问题2：驱动报probe failed,-ENXIO

常见原因：
-reg地址不对，映射失败；
- 时钟没使能，导致读回全是0；
- FPGA bitstream 没下载（尤其是你没把.bit打包进BOOT.BIN）；

解决方案：

# 使用 devmem2 直接读物理地址 devmem2 0x43c00000

如果返回Failed to map memory，说明地址无效；如果返回全0，可能硬件没响应。

同时检查：

cat /sys/class/fpga_manager/fpga0/state # 应为 operating

❌ 问题3：中断不触发

• GIC 中断号是否正确？Zynq-7000 中 PL 端中断是从 61 开始的（SPI 61~91）；
• 触发类型是否匹配？设备树写的是4（上升沿），但硬件发出的是高电平？
• 是否忘记在驱动中调用request_irq()？

建议初期先用轮询方式验证基本通信，再上中断。

经验总结：高效开发的关键习惯

1. 保持.xsa和 PetaLinux 工程一一对应
   每次改完FPGA设计，重新导出.xsa，删除旧工程重建，避免缓存陷阱。

2. 善用system-user.dtsi，绝不碰自动生成的.dts
   否则下次petalinux-config --get-hw-description会覆盖你的修改。

3. 驱动开发阶段优先编译为模块（.ko）
   不用每次都重编整个内核，节省时间。

4. 把常用调试命令写成脚本
   bash # debug.sh dmesg | tail -30 echo "--- Devices ---" ls /sys/bus/platform/devices/ | grep sensor echo "--- Memory Test ---" devmem2 0x43c00000

5. 版本控制project-spec/目录
   把所有定制化配置纳入 Git，方便协同与回溯。

最后一句实在话

PetaLinux的强大之处，不在于它自动化了多少，而在于它把复杂的Yocto流程封装得足够透明，让你既能享受自动化红利，又能在必要时深入底层掌控细节。

当你第一次看到dmesg里跳出你自己写的dev_info()打印时，那种感觉就像——
你终于教会了操作系统说你的语言。

而这，正是嵌入式开发最迷人的地方。

如果你正在折腾某个奇怪的IP却始终无法加载，欢迎留言交流，我们一起翻手册、看寄存器、debug到底。