SO2 实验 11——ARM 内核开发¶

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：

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：

i.MX6UL 评估套件板的外观如下：

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

$ 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：

# 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：

# 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

$ 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。

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：

$ 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)。

# 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/<vendor>
  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。

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：

/ {
     node@0 {
          empty-property;
          string-property = "string value";
          string-list-property = "string value 1", "string value 2";
          int-list-property = <value1 value2>;

          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：

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：

$ git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git
$ ./configure --target-list=arm-softmmu --disable-docs
$ make -j8
$ ./build/qemu-system-arm

练习¶

重要

我们强烈建议你使用这个仓库中的配置。

要解决练习问题，你需要执行以下步骤：

用模板来准备骨架

构建模块

启动虚拟机并在虚拟机中测试模块。

当前实验名称为 arm_kernel_development。请参阅任务名称的练习。

骨架代码是从位于 tools/labs/templates 的完整源代码示例中生成的。要解决任务，首先要为所有实验生成骨架代码：

tools/labs $ make clean
tools/labs $ LABS=<实验名称> make skels

你还可以使用以下命令为单个任务生成骨架代码：

tools/labs $ LABS=<实验名称>/<任务名称> make skels

生成骨架驱动程序后，构建源代码：

tools/labs $ make build

然后，启动虚拟机：

tools/labs $ make console

模块将放置在 /home/root/skels/arm_kernel_development/<任务名称> 目录中。

重新构建模块时，无需停止虚拟机！本地 skels 目录与虚拟机共享。

请查看练习部分以获取更详细的信息。

警告

在开始练习或生成骨架之前，请在 Linux 仓库中运行 git pull 命令，以确保你拥有最新版本的练习。

如果你有本地更改，pull 命令将失败。使用 git status 检查本地更改。如果要保留更改，在 pull 之前运行 git stash，之后运行 git stash pop。要放弃更改，请运行 git reset --hard master。

如果你在 git pull 之前已经生成了骨架，你需要再次生成骨架。

警告

以下是针对 ARM 虚拟机操作的新规则

# 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：

../qemu/build/arm-softmmu/qemu-system-arm -M ?

注解

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：

../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

注解

Qemu 对 LCDIF 和 ASRC 设备的支持不够完善。请从编译中移除它们。

$ 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：

$ 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
$ 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。

$ 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。

# 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。