Linux基礎(chǔ)架構(gòu)在晶心平臺(tái)上的移植研究

鑒于越來越多使用者將Linux移植到晶心平臺(tái)(Andes Embedded™)上(AndesCore™ N12或N10)，本文的目的在協(xié)助使用者快速、有效率的將Linux 移植到自建的FPGA板子上(CPU是AndesCore™ 的 N12或N10)。筆者曾協(xié)助多家公司工程師進(jìn)行Linux移植到晶心平臺(tái)的工作，將Linux移植過程容易遭遇的問題與盲點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際說明，期望能對(duì)使用者有所幫助，也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見。

在進(jìn)行Linux移植時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用者的晶心平臺(tái)可能會(huì)有各式各樣的組合，除了CPU是使用N12或N10外，使用者對(duì)于其他的周邊(如RAM，ROM，Timer…..)之搭配各有所好，為了有系統(tǒng)性說明Linux移植的要領(lǐng)，將選定一明確的硬件，軟件，與開發(fā)工具(toolchain)環(huán)境做演練說明，除了讓讀者可以實(shí)作明了文中的敘述，當(dāng)使用者的周邊非原設(shè)計(jì)的硬件(用戶自己的IP)時(shí)，可以運(yùn)用移植的基本原則，更改希望移植IP的Linux驅(qū)動(dòng)程序，其他原始碼不動(dòng)，逐一的將使用者的周邊驅(qū)動(dòng)程序移植到晶心的平臺(tái)。

在Linux移植過程中，使用者須建立一基本觀念，那就是整個(gè)Linux OS可分為兩部分，第一部分是與硬件相關(guān)的HW dependence code，這部分的程序代碼會(huì)因?qū)?yīng)不同的硬件而造成軟件部分需做不同程度的改寫；第二部份是與硬件無關(guān)的generic code，這部分的程序代碼與硬件無關(guān)，純軟件運(yùn)作，不會(huì)因平臺(tái)(Andes, X86, Arm..)的改變而有差別。移植Linux的工程師第一步需要能區(qū)分出哪一部分程序代碼是 HW dependence code，另外部分的程序代碼就是generic code，如果在這階段對(duì)程序代碼判斷錯(cuò)誤(HW dependence code/generic code)會(huì)拖延Linux移植的進(jìn)程并增加調(diào)試時(shí)的困難。

Linux移植到晶心平臺(tái)過程中，首先須先做到Linux基礎(chǔ)架構(gòu)移植成功。在調(diào)試時(shí)，Linux的基礎(chǔ)架構(gòu)組件是CPU，timer，interrupt與UART，當(dāng)CPU與這3項(xiàng)周邊移植成功后，scheduler可以運(yùn)行了，printk也可以運(yùn)行了Linux系統(tǒng)已經(jīng)可以正常的運(yùn)作了。接下來的工作只需將需移植的驅(qū)動(dòng)程序一個(gè)一個(gè)移植即可，基礎(chǔ)骨架移植完成后，調(diào)試也有printk可用，接下來只需將肉 (需要加的device drivers) 填上即可。Linux移植比較困難的地方是Linux基礎(chǔ)架構(gòu)尚未完成之前(Linux移植的初期階段)的調(diào)試，所幸晶心提供的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試工具與AndeShape™的調(diào)試器AICE，可以一步一步找出問題之所在，讓初期移植Linux的調(diào)試也變得很簡單，具體得作法，后文會(huì)詳細(xì)說明。本文敘述重點(diǎn)是如何在晶心平臺(tái)上建立Linux基礎(chǔ)架構(gòu)，至于個(gè)別Linux 驅(qū)動(dòng)程序的移植，坊間有許多的書在介紹，本文就不多加贅述。

1. 開發(fā)環(huán)境與程序

使用者開始進(jìn)行Linux移植到晶心平臺(tái)，首先須先選定一版晶心的Linux原始碼作為基準(zhǔn)再進(jìn)行軟件移植，修改原始碼以符合使用者的開發(fā)平臺(tái)，經(jīng)由工具鏈的compile與link所產(chǎn)生的Linux的映像文件，再放到FPGA板上以驗(yàn)證程序編寫的正確與否，依此開發(fā)程序:軟件編寫->FPGA板驗(yàn)證，再回到軟件編寫程序直到所有周邊IP在FPGA板上驗(yàn)證完全，Linux 移植才完成，如圖表 1所示，Linux移植過程中，AICE調(diào)試可以有效加快Linux移植的速度。

圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 1 Linux 移植的開發(fā)流程

本文選定一組Linux原始碼、工具鏈、FPGA 板和netlist作為晶心的平臺(tái)(于1.1,1.2,1.3中所述)進(jìn)行l(wèi)inux的移植。讀者可將自己的平臺(tái)與晶心的平臺(tái)做類比，從而有效縮短產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。

1.1 晶心版Linux原始碼

目前晶心最新版本的Linux原始碼在AndeSoft™的BSP310中，Linux原始碼在BSP310套件中的位置為: BSPv310/source/Linux/linux-2.6.tgz。使用BSP310中的ramdisk ”xc5_glibc_ramdisk.img”作為filesystem。

1.2 工具鏈

此晶心平臺(tái)選用的工具鏈?zhǔn)茿ndeSoft™的nds32le-linux-glibc-v2。

1.3 FPGA 板子與 netlist

FPGA板子是晶心AndeShape™的 XC5 開發(fā)板。Netlist 為晶心AndesCore™的N10 production version.

移植平臺(tái)是指使用者要移植Linux的平臺(tái)，也就是移植Linux的目標(biāo)平臺(tái)。將移植平臺(tái)與晶心平臺(tái)的比較列表如下: (其中所列之軟件皆屬于BSP310中之套件)。

2. Boot loader

如果使用者有自己慣用的boot loader，可以使用慣用的boot loader以加快開發(fā)時(shí)程，如果沒有boot loader的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以選用u-boot作為系統(tǒng)的boot loader.。u-boot的source ocde位置在BSPv310/source/Standalone/u-boot/u-boot.tgz。

2.1 U-boot

AndeSoft™的BSP310中u-boot source code是需要EBIOS boot up后再執(zhí)行的u-boot版本。直接boot up不需要其他軟件協(xié)助的U-boot版本(ROM版)是比較符合使用者的需要，晶心版的u-boot使用方法請(qǐng)參考BSP310 User Manual。如果要ROM版的u-boot需要在BSP310中的u-boot軟件做patch，其指令如下:

# patch -p1

n patching file arch/nds32/cpu/n1213/ag101/cpu.c

n patching file arch/nds32/cpu/n1213/start.S

n patching file arch/nds32/include/asm/u-boot-nds32.h

n patching file arch/nds32/lib/board.c

n patching file board/AndesTech/adp-ag101p/config.mk

n patching file include/configs/adp-ag101p.h

patch 完成的u-boot source code 可以產(chǎn)生ROM版的u-boot image，直接開機(jī)后的執(zhí)行結(jié)果如圖表3所示。

圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 3 u-boot 執(zhí)行結(jié)果圖

3. 調(diào)試環(huán)境

在移植Linux到晶心平臺(tái)之前，先架設(shè)好調(diào)試的環(huán)境，尤其對(duì)底層Linux原始碼的移植，有莫大的幫助，在 printk尚未正常運(yùn)作前，需依靠AndeShape™的AICE與 AndeSoft™的GDB來進(jìn)行調(diào)試。

3.1設(shè)定Linux kernel 調(diào)試選項(xiàng)

Linux Kernel 需要設(shè)定一些調(diào)試選項(xiàng)，才能順利的運(yùn)用AndeSoft™的GDB進(jìn)行調(diào)試。晶心平臺(tái)中Linux kernel 調(diào)試選項(xiàng)設(shè)定如圖表4所示，增加這些選項(xiàng)會(huì)增加kernel 映像文件的空間，如果空間占用過大以至于不符合設(shè)計(jì)需求時(shí)，可在調(diào)試工作完畢后將調(diào)試選項(xiàng)關(guān)閉以節(jié)約不必要的空間浪費(fèi)。

圖表4設(shè)定Kernel hacking 中調(diào)試選項(xiàng)勾選

3.2 Linux kernel 調(diào)試的程序

Build成kernel bootpImage (含kernel debug message如圖表四選項(xiàng)) 后，Linux的映像檔放到FPGA板子上，PC host 端的AndeSoft™的GDB透過網(wǎng)絡(luò)(socket)與AICE連接至FPGA板子，進(jìn)行調(diào)試的工作。

3.2.1. 編譯鏈結(jié)成映像檔

設(shè)定好AndeSoft™的 cross-compiler 路徑后，利用下列指令經(jīng)由compiler and linker后可以得到 bootpImage，指令如下:

#CROSS_COMPILE=nds32le-linux- ARCH=nds32 make xc5_defconfig

#CROSS_COMPILE=nds32le-linux- ARCH=nds32 make menuconfig

# CROSS_COMPILE=nds32le-linux- ARCH=nds32 make bootpImage INITRD=xc5_glibc_ramdisk.img

將生成的bootpIamge放到FPGA板子上，將AICE連接到FPGA板子啟動(dòng)ICEman，指令如下:

#C:AndestechAndeSight200MCUice>ICEman.exe --p 1234

PC host端的AndeSoft™的GDB透過網(wǎng)絡(luò)(socket)與AICE連接至FPGA板子，進(jìn)行調(diào)試的工作，示范指令如下:

#ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux

gdb>target remote 10.0.2.164:1234

其中IP值 10.0.2.164是一個(gè)應(yīng)用范例，用戶可依環(huán)境實(shí)際IP值進(jìn)行設(shè)定。環(huán)境設(shè)定完成后，可以開始進(jìn)行調(diào)試工程。

4. 移植Linux至晶心平臺(tái)關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)傳承

4.1 Kernel加載程序調(diào)試實(shí)作

kernel加載程序目的將kernel主程序進(jìn)行解壓縮并加載正確位置，此程序與kernel主程序是兩個(gè)不同程序，但會(huì)一起包在zImage中只是kernel加載程序會(huì)attached在zImage的前面。調(diào)試時(shí)需 file不同的 ELF file才能進(jìn)行正確的調(diào)試工作，kernel加載程序的位置在arch/nds32/boot/compressed/vmlinux，指令如下所示。

#ddd --debugger nds32le-linux-gdb arch/nds32/boot/compressed/vmlinux

kernel主程序的ELF file “vmlinux”在kernel source code的根目錄下指令如下所示。

#ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux

4.2 Linux kernel 調(diào)試實(shí)作

kernel加載程序執(zhí)行完畢后會(huì)跳到kernel主程序執(zhí)行。進(jìn)入點(diǎn)是arch/nds32/kernel/head.S的assembly code執(zhí)行完后會(huì)進(jìn)入 kernel 的主要函數(shù) “start_kernel”。

4.2.1. RAM offset patch

晶心版Linux原始碼搭配XC5平臺(tái)，RAM的起始位置(指的是PA)是0x0，使用者FPGA開發(fā)板的RAM起始位置如果不是0x0，必須要修改FPGA板子中RAM的起始位置，做法是在晶心版的Linux原始碼中進(jìn)行RAM address patch，將原始碼中RAM位置調(diào)整到FPGA開發(fā)板中RAM的真實(shí)位置。

4.2.2. PA/VA remap table

當(dāng)FPGA板子IO的PA設(shè)定正確后，使用者需要設(shè)定PA/VA remap table，作法可參考arch/nds32/include/asm/spec-ag101.h，依照apec-ag101.h中PA/VA對(duì)應(yīng)的關(guān)系去增減使用者自己IO device的 PA/VA remap table。

4.2.3. Kernel 解壓縮與software breakpoint

在進(jìn)行kernel 調(diào)試時(shí)，如果在低地址處，例如:head.S中進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)設(shè)定 software breakpoint時(shí)，會(huì)有breakpoint無法停下來與AICE 斷線的情況發(fā)生。原因是當(dāng)使用者設(shè)定software breakpoint時(shí)，breakpoint處的instruction會(huì)修改并加入break instruction。但kernel解壓縮時(shí)會(huì)將調(diào)試的程序代碼覆蓋造成與GDB調(diào)試不一致性而產(chǎn)生錯(cuò)誤。解決的方法就是原設(shè)定software breakpoint改為hardware breakpoint，這樣就可以避免因kernel解壓縮所造成調(diào)試的錯(cuò)誤，降低調(diào)試時(shí)的困難度。

4.2.4. PA/VA 觀念說明與調(diào)試要領(lǐng)

在原始碼arch/nds32/kernel/head.S中

la $lp, __mmap_switched

mtsr $lp, $IPC

iret

執(zhí)行完iret后，系統(tǒng)就會(huì)從PA轉(zhuǎn)成VA，MMU translation status從translation off轉(zhuǎn)為translation on在此分界處調(diào)試規(guī)則如下所述，如果觀念不清楚及容易產(chǎn)生調(diào)試時(shí)的錯(cuò)誤，請(qǐng)務(wù)必牢記。

4.2.4.1. MMU translation off 時(shí)期調(diào)試

在這個(gè)時(shí)期調(diào)試，VA是不存在的。所有的IO address與memory都是PA沒有VA，如果調(diào)試地址設(shè)成VA，容易hit illegal address 而造成exception。

4.2.4.2. MMU translation on 時(shí)期調(diào)試

在這個(gè)時(shí)期調(diào)試，PA是不存在的。所有的IO address與memory都是VA沒有PA，如果調(diào)試地址設(shè)成PA，容易hit illegal address 而造成exception.

4.2.5. 移植Linux的基礎(chǔ)組件

MMU translation on后，很快就會(huì)進(jìn)入start_kernel 函數(shù)，接下來移植的重點(diǎn)就是移植Linux基礎(chǔ)組件，那就是interrupt，timer and UART。當(dāng)這3個(gè)device移植成功后，Linux的架構(gòu)就建立起來了，printk也可以用了，Linux已經(jīng)可以正常的運(yùn)作。如果沒有意外，可以執(zhí)行完kernel甚至將filesystem帶起來。接下來用戶可以將自己的周邊組件一個(gè)一個(gè)的device driver移植入系統(tǒng)。當(dāng)周邊組件移植完成后，Linux系統(tǒng)移植到晶心平臺(tái)就完成了。

5. 結(jié)語

Linux操作系統(tǒng)運(yùn)作在晶心平臺(tái)已有多年的時(shí)間。各式各樣的Linux軟件運(yùn)作在晶心平臺(tái)不計(jì)其數(shù)。皆可證明Linux操作系統(tǒng)運(yùn)作結(jié)合晶心平臺(tái)是一個(gè)穩(wěn)定與成熟的產(chǎn)品，只要能明了熟悉Linux 移植的技巧與重點(diǎn)，使用晶心平臺(tái)開發(fā)Linux的產(chǎn)品將是一件愉快與簡單的工作。