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如何移植Linux到晶心平臺

發(fā)布時間:2012-04-05 來源:晶心科技股份有限公司

中心議題:
  • 開發(fā)環(huán)境與程序
  • Boot loader
  • 調(diào)試環(huán)境
  • 移植Linux至晶心平臺關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)驗傳承

鑒于越來越多使用者將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移植過程容易遭遇的問題與盲點(diǎn)進(jìn)行實際說明,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。

在進(jìn)行Linux移植時會發(fā)現(xiàn),使用者的晶心平臺可能會有各式各樣的組合,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(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,除了讓讀者可以實作明了文中的敘述,當(dāng)使用者的周邊非原設(shè)計的硬件(用戶自己的IP)時,可以運(yùn)用移植的基本原則,更改希望移植IP的Linux驅(qū)動程序,其他原始碼不動,逐一的將使用者的周邊驅(qū)動程序移植到晶心的平臺。

在Linux移植過程中,使用者須建立一基本觀念,那就是整個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(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,如果在這階段對程序代碼判斷錯誤(HW dependence code/generic code)會拖延Linux移植的進(jìn)程并增加調(diào)試時的困難。

Linux移植到晶心平臺過程中,首先須先做到Linux基礎(chǔ)架構(gòu)移植成功。在調(diào)試時,Linux的基礎(chǔ)架構(gòu)組件是CPU,timer,interrupt與UART,當(dāng)CPU與這3項周邊移植成功后,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)動程序一個一個移植即可,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,后文會詳細(xì)說明。本文敘述重點(diǎn)是如何在晶心平臺上建立Linux基礎(chǔ)架構(gòu),至于個別Linux 驅(qū)動程序的移植,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,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,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的正確與否,依此開發(fā)程序:軟件編寫->FPGA板驗證,再回到軟件編寫程序直到所有周邊IP在FPGA板上驗證完全,Linux 移植才完成,如圖表 1所示,Linux移植過程中,AICE調(diào)試可以有效加快Linux移植的速度。



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l(wèi)inux的移植。讀者可將自己的平臺與晶心的平臺做類比,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.
移植平臺是指使用者要移植Linux的平臺,也就是移植Linux的目標(biāo)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)。

[page]

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)時程,如果沒有boot loader的開發(fā)經(jīng)驗,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 <burn-mode.patch
  •  patching file arch/nds32/cpu/n1213/ag101/cpu.c
  •  patching file arch/nds32/cpu/n1213/start.S
  •  patching file arch/nds32/include/asm/u-boot-nds32.h
  •  patching file arch/nds32/lib/board.c
  •  patching file board/AndesTech/adp-ag101p/config.mk
  •  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。



3. 調(diào)試環(huán)境
在移植Linux到晶心平臺之前,先架設(shè)好調(diào)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(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

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



3.2 Linux kernel 調(diào)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透過網(wǎng)絡(luò)(socket)與AICE連接至FPGA板子,進(jìn)行調(diào)試的工作。[page]

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是一個應(yīng)用范例,用戶可依環(huán)境實際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至晶心平臺關(guān)鍵點(diǎn)經(jīng)驗傳承


4.1 Kernel加載程序調(diào)試實作
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主程序是兩個不同程序,但會一起包在zImage中只是kernel加載程序會attached在zImage的前面。調(diào)試時需 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)試實作
kernel加載程序執(zhí)行完畢后會跳到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,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,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,會有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,breakpoint處的instruction會修改并加入break instruction。但kernel解壓縮時會將調(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)試的錯誤,降低調(diào)試時的困難度。

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)試時的錯誤,請務(wù)必牢記。

4.2.4.1. MMU translation off 時期調(diào)試

在這個時期調(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 時期調(diào)試
在這個時期調(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一個的device driver移植入系統(tǒng)。當(dāng)周邊組件移植完成后,Linux系統(tǒng)移植到晶心平臺就完成了。

5. 結(jié)語
Linux操作系統(tǒng)運(yùn)作在晶心平臺已有多年的時間。各式各樣的Linux軟件運(yùn)作在晶心平臺不計其數(shù)。皆可證明Linux操作系統(tǒng)運(yùn)作結(jié)合晶心平臺是一個穩(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),使用晶心平臺開發(fā)Linux的產(chǎn)品將是一件愉快與簡單的工作。

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