Linux基礎架構在晶心平臺上的移植研究

鑒于越來(lái)越多使用者將Linux移植到晶心平臺(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移植到晶心平臺的工作，將Linux移植過(guò)程容易遭遇的問(wèn)題與盲點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際說(shuō)明，期望能對使用者有所幫助，也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見(jiàn)。

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

在Linux移植過(guò)程中，使用者須建立一基本觀(guān)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 )因對應不同的硬件而造成軟件部分需做不同程度的改寫(xiě)；第二部份是與硬件無(wú)關(guān)的generic code，這部分的程序代碼與硬件無(wú)關(guān)，純軟件運作，不會(huì )因平臺(Andes, X86, Arm..)的改變而有差別。移植Linux的工程師第一步需要能區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，如果在這階段對程序代碼判斷錯誤(HW dependence code/generic code)會(huì )拖延Linux移植的進(jìn)程并增加調試時(shí)的困難。

Linux移植到晶心平臺過(guò)程中，首先須先做到Linux基礎架構移植成功。在調試時(shí)，Linux的基礎架構組件是CPU，timer，interrupt與UART，當CPU與這3項周邊移植成功后，scheduler可以運行了，printk也可以運行了Linux系統已經(jīng)可以正常的運作了。接下來(lái)的工作只需將需移植的驅動(dòng)程序一個(gè)一個(gè)移植即可，基礎骨架移植完成后，調試也有printk可用，接下來(lái)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基礎架構尚未完成之前(Linux移植的初期階段)的調試，所幸晶心提供的標準調試工具與AndeShape™的調試器AICE，可以一步一步找出問(wèn)題之所在，讓初期移植Linux的調試也變得很簡(jiǎn)單，具體得作法，后文會(huì )詳細說(shuō)明。本文敘述重點(diǎn)是如何在晶心平臺上建立Linux基礎架構，至于個(gè)別Linux 驅動(dòng)程序的移植，坊間有許多的書(shū)在介紹，本文就不多加贅述。

1. 開(kāi)發(fā)環(huán)境與程序

使用者開(kāi)始進(jìn)行Linux移植到晶心平臺，首先須先選定一版晶心的Linux原始碼作為基準再進(jìn)行軟件移植，修改原始碼以符合使用者的開(kāi)發(fā)平臺，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板上以驗證程序編寫(xiě)的正確與否，依此開(kāi)發(fā)程序:軟件編寫(xiě)->FPGA板驗證，再回到軟件編寫(xiě)程序直到所有周邊IP在FPGA板上驗證完全，Linux 移植才完成，如圖表 1所示，Linux移植過(guò)程中，AICE調試可以有效加快Linux移植的速度。

圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 1 Linux 移植的開(kāi)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(于1.1,1.2,1.3中所述)進(jìn)行linux的移植。讀者可將自己的平臺與晶心的平臺做類(lèi)比，從而有效縮短產(chǎn)品開(kāi)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A(yíng)ndeSoft™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

此晶心平臺選用的工具鏈是AndeSoft™的nds32le-linux-glibc-v2。

1.3 FPGA 板子與 netlist

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

移植平臺是指使用者要移植Linux的平臺，也就是移植Linux的目標平臺。將移植平臺與晶心平臺的比較列表如下: (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(kāi)發(fā)時(shí)程，如果沒(méi)有boot loader的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，可以選用u-boot作為系統的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(kāi)機后的執行結果如圖表3所示。

圖表 SEQ 圖表 * ARABIC 3 u-boot 執行結果圖

3. 調試環(huán)境

在移植Linux到晶心平臺之前，先架設好調試的環(huán)境，尤其對底層Linux原始碼的移植，有莫大的幫助，在 printk尚未正常運作前，需依靠AndeShape™的AICE與 AndeSoft™的GDB來(lái)進(jìn)行調試。

3.1設定Linux kernel 調試選項

Linux Kernel 需要設定一些調試選項，才能順利的運用AndeSoft™的GDB進(jìn)行調試。晶心平臺中Linux kernel 調試選項設定如圖表4所示，增加這些選項會(huì )增加kernel 映像文件的空間，如果空間占用過(guò)大以至于不符合設計需求時(shí)，可在調試工作完畢后將調試選項關(guān)閉以節約不必要的空間浪費。

圖表4設定Kernel hacking 中調試選項勾選

3.2 Linux kernel 調試的程序

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

3.2.1. 編譯鏈結成映像檔

設定好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(guò)網(wǎng)絡(luò )(socket)與AICE連接至FPGA板子，進(jìn)行調試的工作，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)應用范例，用戶(hù)可依環(huán)境實(shí)際IP值進(jìn)行設定。環(huán)境設定完成后，可以開(kāi)始進(jìn)行調試工程。

4. 移植Linux至晶心平臺關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)驗傳承

4.1 Kernel加載程序調試實(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。調試時(shí)需 file不同的 ELF file才能進(jìn)行正確的調試工作，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 調試實(shí)作

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

4.2.1. RAM offset patch

晶心版Linux原始碼搭配XC5平臺，RAM的起始位置(指的是PA)是0x0，使用者FPGA開(kāi)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位置調整到FPGA開(kāi)發(fā)板中RAM的真實(shí)位置。

4.2.2. PA/VA remap table

當FPGA板子IO的PA設定正確后，使用者需要設定PA/VA remap table，作法可參考arch/nds32/include/asm/spec-ag101.h，依照apec-ag101.h中PA/VA對應的關(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 調試時(shí)，如果在低地址處，例如:head.S中進(jìn)行調試，當設定 software breakpoint時(shí)，會(huì )有breakpoint無(wú)法停下來(lái)與AICE 斷線(xiàn)的情況發(fā)生。原因是當使用者設定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 )將調試的程序代碼覆蓋造成與GDB調試不一致性而產(chǎn)生錯誤。解決的方法就是原設定software breakpoint改為hardware breakpoint，這樣就可以避免因kernel解壓縮所造成調試的錯誤，降低調試時(shí)的困難度。

4.2.4. PA/VA 觀(guān)念說(shuō)明與調試要領(lǐng)

在原始碼arch/nds32/kernel/head.S中

la $lp, __mmap_switched

mtsr $lp, $IPC

iret

執行完iret后，系統就會(huì )從PA轉成VA，MMU translation status從translation off轉為translation on在此分界處調試規則如下所述，如果觀(guān)念不清楚及容易產(chǎn)生調試時(shí)的錯誤，請務(wù)必牢記。

4.2.4.1. MMU translation off 時(shí)期調試

在這個(gè)時(shí)期調試，VA是不存在的。所有的IO address與memory都是PA沒(méi)有VA，如果調試地址設成VA，容易hit illegal address 而造成exception。

4.2.4.2. MMU translation on 時(shí)期調試

在這個(gè)時(shí)期調試，PA是不存在的。所有的IO address與memory都是VA沒(méi)有PA，如果調試地址設成PA，容易hit illegal address 而造成exception.

4.2.5. 移植Linux的基礎組件

MMU translation on后，很快就會(huì )進(jìn)入start_kernel 函數，接下來(lái)移植的重點(diǎn)就是移植Linux基礎組件，那就是interrupt，timer and UART。當這3個(gè)device移植成功后，Linux的架構就建立起來(lái)了，printk也可以用了，Linux已經(jīng)可以正常的運作。如果沒(méi)有意外，可以執行完kernel甚至將filesystem帶起來(lái)。接下來(lái)用戶(hù)可以將自己的周邊組件一個(gè)一個(gè)的device driver移植入系統。當周邊組件移植完成后，Linux系統移植到晶心平臺就完成了。

5. 結語(yǔ)

Linux操作系統運作在晶心平臺已有多年的時(shí)間。各式各樣的Linux軟件運作在晶心平臺不計其數。皆可證明Linux操作系統運作結合晶心平臺是一個(gè)穩定與成熟的產(chǎn)品，只要能明了熟悉Linux 移植的技巧與重點(diǎn)，使用晶心平臺開(kāi)發(fā)Linux的產(chǎn)品將是一件愉快與簡(jiǎn)單的工作。