========================= ARM 内核开发 ========================= .. meta:: :description: 本文介绍了 ARM 架构的片上系统（SoC）以及 ARM 内核开发的基础知识。包括使用 i.MX6UL 平台作为示例，编译和引导 ARM 内核的操作步骤，同时也介绍了板级支持软件包（BSP）和交叉编译器的概念。 :keywords: ARM, 内核开发, SoC, i.MX6UL, Linux 内核, 编译, 交叉编译, BSP 实验目标 ============== * 初步了解片上系统（SoC） * 熟悉使用 ARM 作为支持架构的嵌入式世界 * 理解什么是板级支持包（BSP） * 使用 i.MX6UL 平台作为示例，编译和引导 ARM 内核 * 熟悉使用设备树进行硬件描述 片上系统 ================ 片上系统 (**SoC**) 是一块集成电路 (**IC**)，整个系统都集成在上面。通常在 SoC 上可以找到的组件，包括中央处理单元 (**CPU**)、内存、输入/输出端口、存储设备，以及更复杂的模块，如音频数字接口、神经处理单元 (**NPU**) 或图形处理单元 (**GPU**)。 SoC 可用于各种应用领域，最常见的包括： - 消费电子产品（电视机、手机、游戏机） - 工业计算机（医学成像等） - 汽车 - 家用电器 SoC 的主要架构是 **ARM**。值得一提的是，还有基于 x86 的 SoC 平台。我们还需要关注 **RISC-V**，这是一种开放的标准指令集架构。 下图展示了 ARM 平台的简化视图： .. image:: ../res/schematic.png :align: center 我们将以 NXP 的 `i.MX6UL `_ 平台作为参考平台，但通常所有的 SoC 都包含以下构建模块： - 一个或多个 CPU 核心 - 系统总线 - 时钟和复位模块 - 相位锁定环（PLL） - 晶振（OSC） - 复位控制器 - 中断控制器 - 定时器 - 内存控制器 - 外设控制器 - `I2C `_ - `SPI `_ - `GPIO `_ - `以太网 `_ (用于网络) - `uSDHC `_ (用于存储) - USB - `UART `_ - `I2S `_ (用于音频) - eLCDIF (用于液晶显示面板) 下图是 i.MX6UL 平台的完整框图： .. image:: https://www.nxp.com/assets/images/en/block-diagrams/IMX6UL-BD.jpg :alt: IMX6UL-BD :width: 60 % :align: center i.MX6UL 评估套件板的外观如下： .. image:: https://www.compulab.com/wp-content/gallery/sbc-imx6ul/compulab_sbc-imx6ul_single-board-computer.jpg :alt: imx6ul-evk :width: 60 % :align: center 其他流行的 SoC 开发板包括： * `Broadcom Raspberry Pi `_ * `Texas Instruments Beagle board `_ * `Odroid Xu4 `_ * `Nvidia Jetson Nano `_ 板级支持软件包 ===================== 板级支持软件包（BSP）是支持演示特定硬件平台的功能的情况下，最小的一组软件包。这包括： - 工具链 - 引导加载程序 - Linux 内核映像、设备树文件和驱动程序 - 根文件系统 半导体制造商通常会提供一个评估板和相应的 **BSP**。BSP 通常使用 `Yocto `_ 进行打包。 工具链 ========= 由于我们的开发机主要基于 x86 架构，我们需要交叉编译器，这样可以生成针对 ARM 平台的可执行代码。 我们可以使用 https://crosstool-ng.github.io/ 从头开始构建自己的交叉编译器，或者我们可以安装一个 .. code-block:: bash $ sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf g++-arm-linux-gnueabihf # 用于 arm32 $ sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu g++-aarch64-linux-gnu # 用于 arm64 根据配置，有几个工具链二进制文件可用： - 对于“arm-eabi-gcc”，你有 Linux 系统 C 库，该库将调用内核的 IOCTL，例如为进程分配内存页面。 - 对于“arm-eabi-none-gcc”，你运行在没有任何操作系统的平台上，所以 C 库与之不同。 编译 ARM 版 Linux 内核 --------------------------------- 为 32 位 ARM 板编译内核： .. code-block:: bash # 根据你的平台选择 defconfig $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make imx_v6_v7_defconfig # 编译内核 $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make -j8 为 64 位 ARM 板编译内核： .. code-block:: bash # 对于 64 位 ARM，有一个适用于所有支持的板的单个配置 $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make defconfig # 编译内核 $ ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- make -j8 Linux 内核镜像 ================== 内核镜像二进制文件被命名为 ``vmlinux``，可以在内核树的根目录下找到。用于引导的压缩镜像可以在以下位置找到： - ``arch/arm/boot/Image``，适用于 arm32 - ``arch/arm64/boot/Image``，适用于 arm64 .. code-block:: bash $ file vmlinux vmlinux: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), statically linked, not stripped $ file vmlinux vmlinux: ELF 64-bit LSB shared object, ARM aarch64, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped Rootfs ====== 根文件系统 (``rootfs``) 是挂载在文件层次结构顶部 (``/``) 的文件系统。它应该至少包含允许系统引导到某个 shell 的关键文件。 .. code-block:: bash root@so2$ tree -d -L 2 ├── bin ├── boot ├── dev ├── etc ├── home │   └── root ├── lib │   └── udev ├── mnt ├── proc ├── sbin │   └── init ├── sys ├── usr │   ├── bin │   ├── include │   ├── lib └── var 对于 ``x86``，我们将使用 Yocto rootfs 镜像。为了下载 ``arm32`` 的 ``ext4`` rootfs 镜像，需要运行以下命令： .. code-block:: bash $ cd tools/labs/ $ ARCH=arm make core-image-minimal-qemuarm.ext4 设备树 =========== 设备树 (**DT**) 是一种用于描述系统中硬件设备的树状结构。树中的每个节点描述一个设备，因此这些节点被称为 **设备节点**。之引入设备树，是为了提供一种发现不可发现硬件的方式（例如，I2C 总线上的设备）。此前，这些信息是存储在 Linux 内核的源代码中的。这意味着每当我们需要修改某个设备的节点时，都需要重新编译内核。现在情况已经改变，因为设备树和内核镜像是独立的二进制文件。 设备树以设备树源文件 (*.dts*) 的形式存储，并编译成设备树二进制文件 (*.dtb*)。 .. code-block:: bash # 编译 dtbs $ make dtbs # arm32 设备树源文件位置 $ ls arch/arm/boot/dts/ imx6ul-14x14-evk.dtb imx6ull-14x14-evk.dtb bcm2835-rpi-a-plus.dts # arm64 设备树源文件位置 $ ls arch/arm64/boot/dts/ imx8mm-evk.dts imx8mp-evk.dts 下面的图片是简单的设备树示例，描述了板型、CPU 和内存。 .. image:: ../res/dts_node.png :align: center 请注意，可以使用 ``label: name@address`` 来定义设备树节点： - ``label``，用于从其他位置引用该节点的标识符 - ``name``，节点标识符 - ``address``，用于区分具有相同名称（name）的节点。 节点可以包含多个以 ``name = value`` 格式排列的属性。name 是一个字符串，value 可以是字节、字符串或字符串数组。 以下是一个示例： .. code:: c / { node@0 { empty-property; string-property = "string value"; string-list-property = "string value 1", "string value 2"; int-list-property = ; child-node@0 { child-empty-property; child-string-property = "string value"; child-node-reference = <&child-node1>; }; child-node1: child-node@1 { child-empty-property; child-string-property = "string value"; }; }; }; Qemu ==== 我们将使用 ``qemu-system-arm`` 启动 32 位 ARM 平台。虽然可以从官方发行版仓库中安装，例如： .. code:: bash sudo apt-get install -y qemu-system-arm 我们依然强烈推荐从源代码构建最新版本的 ``qemu-system-arm``： .. code:: bash $ git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git $ ./configure --target-list=arm-softmmu --disable-docs $ make -j8 $ ./build/qemu-system-arm 练习 =========== .. include:: ../labs/exercises-summary.hrst .. |LAB_NAME| replace:: arm_kernel_development .. warning:: 以下是针对 ``ARM`` 虚拟机操作的新规则 .. code-block:: shell # 模块构建 tools/labs $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make build # 模块拷贝 tools/labs $ ARCH=arm make copy # 内核构建 $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make -j8 0. 简介 -------- 检查 Linux 内核代码中以下位置，并识别使用 ARM 架构的平台和供应商： - 32位: ``arch/arm/boot/dts`` - 64位: ``arch/arm64/boot/dts`` 使用 ``qemu`` 查看支持的平台： .. code-block:: bash ../qemu/build/arm-softmmu/qemu-system-arm -M ? .. note:: 我们使用了自己编译的 ``arm32`` 版本的 ``Qemu``。有关详细信息，请参见 `Qemu`_ 部分。 1. 启动 ------- 使用 ``qemu`` 启动 ``i.MX6UL`` 平台。为了启动，我们首先需要编译内核。请查看 `编译 ARM 版 Linux 内核`_ 部分。 成功编译将生成以下二进制文件： - ``arch/arm/boot/Image``，针对 ARM 架构编译的内核镜像 - ``arch/arm/boot/dts/imx6ul-14x14-evk.dtb``，适用于 ``i.MX6UL`` 开发板的设备树二进制文件 请查看 `Rootfs`_ 部分，并下载 ``core-image-minimal-qemuarm.ext4`` 根文件系统。然后使用以下命令运行 ``qemu``： .. code-block:: bash ../qemu/build/arm-softmmu/qemu-system-arm -M mcimx6ul-evk -cpu cortex-a7 -m 512M \ -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic -dtb arch/arm/boot/dts/imx6ul-14x14-evk.dtb \ -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttymxc0 loglevel=8 earlycon printk" -sd tools/labs/core-image-minimal-qemuarm.ext4 .. note:: ``Qemu`` 对 LCDIF 和 ASRC 设备的支持不够完善。请从编译中移除它们。 .. code-block:: bash $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make menuconfig # 设置 FSL_ASRC=n 和 DRM_MXSFB=n $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make -j8 内核启动后，请检查内核版本和 CPU 信息： .. code-block:: bash $ cat /proc/cpuinfo $ cat /proc/version 2. CPU 信息 ------------------ 检查 ``NXP i.MX6UL`` 开发板的 CPU 配置。从 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul-14x14-evk.dts`` 开始。 - 找到 ``cpu@0`` 设备树节点，并查找 ``operating-points`` 属性。 - 读取处理器可以运行的最大和最小操作频率 .. code:: bash $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/cpuinfo_min_freq $ cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/cpuinfo_max_freq 3. I/O 内存 ------------- 检查 ``NXP i.MX6UL`` 开发板的 I/O 空间配置。从 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul-14x14-evk.dts`` 开始，并确定下面提到的每个设备。 .. code:: bash $ cat /proc/iomem 00900000-0091ffff : 900000.sram sram@900000 0209c000-0209ffff : 209c000.gpio gpio@209c000 021a0000-021a3fff : 21a0000.i2c i2c@21a0000 80000000-9fffffff : System RAM 识别与以下设备对应的设备树节点： - ``System RAM``，在 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul-14x14-evk.dtsi`` 中查找 ``memory@80000000`` 节点。系统 RAM 的大小是多少？ - ``GPIO1``，在 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul.dtsi`` 中查找 ``gpio@209c000`` 节点。该设备的 I/O 空间大小是多少？ - ``I2C1``，在 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul.dtsi`` 中查找 ``i2c@21a0000`` 节点。该设备的 I/O 空间大小是多少？ 4. Hello World -------------- 实现一个简单的内核模块，在加载和卸载时打印一条消息。编译该模块并加载到 ``i.MX6UL`` 模拟平台上。 .. code-block:: shell # 模块构建 tools/labs $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make build # 模块复制 tools/labs $ ARCH=arm make copy # 内核构建 $ ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make -j8 5. 简单设备 ------------ 为一个简单的平台设备实现一个驱动程序。找到 ``TODO 1``，注意如何声明并注册 ``simple_driver`` 作为平台驱动程序。按照 ``TODO 2``，在 simple_device_ids 数组中添加 ``so2,simple-device-v1`` 和 ``so2,simple-device-v2`` 兼容字符串。 在 ``arch/arm/boot/dts/imx6ul.dtsi`` 的 ``soc`` 节点下创建两个设备树节点，分别使用兼容字符串 ``so2,simple-device-v1`` 和 ``so2,simple-device-v2``。然后观察加载 ``simple_driver`` 模块时的行为。 .. _imx6ul: https://www.nxp.com/products/processors-and-microcontrollers/arm-processors/i-mx-applications-processors/i-mx-6-processors/i-mx-6ultralite-processor-low-power-secure-arm-cortex-a7-core:i.MX6UL