作者：沈智明 / 晶心科技(Andes)資深技術經理
有鑑於越來越多使用者將Linux移植在晶心平台(Andes Embedded™)的核心上(AndesCore™ N12或N10)，本文之目的在協助使用者快速、有效率的將Linux 移植到自建的FPGA板子上(CPU是AndesCore™ 的 N12或N10)。筆者曾協助多家公司工程師進行Linux移植到晶心平台的工作，將Linux移植過程容易遭遇的問題與盲點進行實務說明，期望能對使用者有所助益，也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見。
在進行實務的Linux移植時會發現，使用者的晶心平台可能會有各式各樣的組合，除了CPU是使用N12或N10外，使用者對於其他的週邊(如RAM，ROM，Timer…)之搭配各有所好，為了有系統性說明Linux移植的要領，將選定一明確的硬體，軟體，與開發工具(toolchain)環境做演練說明，除了讓讀者可以實作明瞭文中之敘述，當使用者的週邊非原設計之硬體(使用者自己的IP)時，可以運用移植的基本原則，更改希望移植IP的Linux驅動程式，其他原始碼不動，逐一的將使用者的週邊驅動程式移植到晶心的平台。
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，第一部分是與硬體相關的HW dependence code，這部分的程式碼會因對應不同的硬體而造成軟體部分需做不同程度的改寫；第二部份是與硬體無關的generic code，這部分的程式碼與硬體無關，純軟體運作，不會因平台(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式碼是 HW dependence code，另外部分的程式碼就是generic code，如果在這階段對程式碼判斷錯誤(HW dependence code/generic code)會拖延Linux移植的時程與增加除錯時的困難。
Linux移植到晶心平台過程中，首先須先做到Linux基礎架構移植成功。在除錯時，Linux的基礎架構元件是CPU、timer、interrupt與UART，當CPU與這3項週邊移植成功後，scheduler可以運行了，printk也可以運行了，Linux系統已經可以正常的運作，接下來的工作只需將需移植的驅動程式一個一個移植即可。 基礎骨架移植完成後，除錯也有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基礎架構尚未完成
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之前(Linux移植的初期階段)的除錯，所幸晶心提供的標準除錯工具與AndeShape™的除錯器AICE，可以一步一步找出問題之所在，讓初期移植Linux的除錯也變得很簡單。具體作法後文會詳細說明。本文敘述著重在如何建立Linux基礎架構在晶心平台，至於個別Linux 驅動程式的移植，坊間有許多的書在介紹，本文就不多加贅述。
1. 開發環境與程序
使用者開始進行Linux移植到晶心平台，首先須先選定一版晶心的Linux原始碼作為基準再進行軟體移植，修改原始碼以符合使用者的開發平台，經由工具列的compile與link所產生的Linux的映像檔，再放上FPGA板子以驗證程式編寫的正確與否，依此開發程序：軟體編寫→FPGA板子驗證，再回到軟體編寫程序直到所有週邊IP在FPGA板子驗證完全，Linux 移植才完成，如圖一所示，Linux移植過程中，AICE除錯可以有效加快Linux移植的速度。
圖一 Linux移植的開發流程
Linux Programming/Debug Compile FPGA and link board verification
選定一組Linux原始碼，工具列，FPGA 板子與netlist作為晶心的平台(於1.1,1.2,1.3中所述)，作為使用者的平台的對照組，經由使用者的平台與晶心的平台比對可以有效縮短產品開發時程。
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原始碼放在BSP310套件位置: BSPv310/source/Linux/linux-2.6.tgz。使用BSP310中的ramdisk ”xc5_glibc_ramdisk.img”作為filesystem。
1.2 工具列
此晶心平台選用的工具列是AndeSoft™的nds32le-linux-glibc-v2。
1.3 FPGA 板子與 netlist
FPGA板子是AndeShape™的XC5開發板。Netlist是AndesCore™的N10
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production version.
移植平台是指使用者要移植Linux的平台，也就是移植Linux的目標平台。將移植平台與晶心平台的比較列表如下：(所列之軟體皆屬於BSP310中之套件)。 Linux原始碼 移植平台 linux-2.6.tgz 晶心平台 linux-2.6.tgz 說明 使用者應從晶心版原始碼進行開發 使用者如用新版的AndesCore™，可更換新的合適工具列 工具列 nds32le-linux-glibc-v2 nds32le-linux-glibc-v2 FPGA板子 Netlist 使用者設計 使用者自己合 XC5 N10 production version 圖二 移植平台與晶心平台的比較表
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以加快開發時程，如果沒有boot loader的開發經驗，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後再執行的u-boot版本。直接boot up不需要其他軟體協助的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軟體做patch，其指令如下：
# patch -p1 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 可以產生ROM版的u-boot image，直接開機後的執行結果如圖三所示。 Copyright © 2012 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站(www.eettaiwan.com)所有內容均受版權保護 圖三 u-boot 執行結果圖 3. 除錯環境 在移植Linux到晶心平台之前，先架設好除錯的環境，尤其對底層Linux原始碼的移植，有莫大的助益，在 printk尚未正常運作前，需依靠AndeShape™的AICE與 AndeSoft™的GDB來進行除錯。 3.1設定Linux kernel 除錯選項 Linux Kernel 需要設定一些除錯選項，才能順利的運用AndeSoft™的GDB進行除錯。晶心平台中Linux kernel 除錯選項設定如圖表4所示，增加這些選項會增加kernel 映像檔的空間，如果空間佔用過大以至於不符合設計需求時，可在除錯工作完畢後將除錯選項關閉以節約不必要的空間浪費。 圖四 設定Kernel hacking中除錯選項勾選 Copyright © 2012 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站(www.eettaiwan.com)所有內容均受版權保護 3.2 Linux kernel 除錯的程序 Build成kernel bootpImage (含kernel debug message如圖四選項) 後，Linux的映像檔放到FPGA板子上，PC host 端的AndeSoft™的GDB透過網路(socket)與AICE連接至FPGA板子，進行除錯的工作。 3.2.1. 編譯鏈結成映像檔 設定好AndeSoft™的 cross-compiler 路徑後，利用下列指令經由compiler and linker後可以得到 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:\\Andestech\\AndeSight200MCU\\ice>ICEman.exe --p 1234 PC host端的AndeSoft™的GDB透過網路(socket)與AICE連接至FPGA板子，進行除錯的工作，示範指令如下: #ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux gdb>target remote 10.0.2.164:1234 其中IP值 10.0.2.164是一個應用範例，使用者可依環境實際IP值進行設定。環境設定完成後，可以開始進行除錯工程。 4. 移植Linux至晶心平台關鍵點經驗傳承 4.1 Kernel載入程式除錯實作 kernel載入程式目的將kernel主程式進行解壓縮並載入正確位置，此程式與kernel主程式是兩個不同程式，但會一起包在zImage中只是kernel載入程式會 Copyright © 2012 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站(www.eettaiwan.com)所有內容均受版權保護 attached在zImage的前面。除錯時需 file不同的 ELF file才能進行正確的除錯工作，kernel載入程式的位置在arch/nds32/boot/compressed/vmlinux，指令如下： #ddd --debugger nds32le-linux-gdb arch/nds32/boot/compressed/vmlinux kernel主程式的ELF file “vmlinux”在kernel source code的根目錄下，指令為： #ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux 4.2 Linux kernel 除錯實作 kernel載入程式執行完畢後會跳到kernel主程式執行。進入點是arch/nds32/kernel/head.S的assembly code執行完後會進入 kernel 的主要函數 “start_kernel”。 4.2.1. RAM offset patch 晶心版Linux原始碼搭配XC5平台，RAM的起始位置(指的是PA)是0x0，使用者FPGA開發板的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原始碼中進行RAM address patch，將原始碼中RAM位置調整到FPGA開發板中RAM的真實位置。 4.2.2. PA/VA remap table 當FPGA板子IO的PA設定正確後，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對應的關係去增減使用者自己IO device的 PA/VA remap table。 4.2.3. Kernel 解壓縮與software breakpoint 在進行kernel 除錯時，如果在低位址處，例如:head.S中進行除錯，當設定 software breakpoint時，會有breakpoint無法停下來與AICE 斷線的情況發生。原因是當使用者設定software breakpoint時，breakpoint處的instruction會修改並加入break instruction。 但kernel解壓縮時會將除錯的程式碼覆蓋造成與GDB除錯不一致性而產生錯誤。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解壓縮所造成除錯的錯誤，降低除錯時的困難度。 4.2.4. PA/VA 觀念說明與除錯要領 在原始碼arch/nds32/kernel/head.S中： Copyright © 2012 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站(www.eettaiwan.com)所有內容均受版權保護 la $lp, __mmap_switched mtsr $lp, $IPC iret 執行完iret後，系統就會從PA轉成VA，MMU translation status從translation off轉為translation on在此分界處除錯規則如下所述，如果觀念不清楚及容易產生除錯時的錯誤，請務必牢記。 4.2.4.1. MMU translation off 時期除錯 在這個時期除錯，VA是不存在的。所有的IO address與memory都是PA沒有VA，如果除錯位址設成VA，容易hit illegal address 而造成exception。 4.2.4.2. MMU translation on 時期除錯 在這個時期除錯，PA是不存在的。所有的IO address與memory都是VA沒有PA，如果除錯位址設成PA，容易hit illegal address 而造成exception. 4.2.5. 移植Linux的基礎元件 MMU translation on後，很快就會進入start_kernel 函數，接下來移植的重點就是移植Linux基礎元件，那就是interrupt，timer and UART。當這3個device移植成功後，Linux的架構就建立起來了，printk也可以用了，Linux已經可以正常的運作。 如果沒有意外，可以執行完kernel甚至將filesystem帶起來。接下來使用者可以將自己的週邊元件一個一個的device driver移植入系統。當週邊元件移植完成後，Linux系統移植到晶心平台就完成了。 5. 結語 Linux作業系統運作在晶心平台已有多年的時間。各式各樣的Linux軟體運作在晶心平台不計其數。皆可證明Linux作業系統運作結合晶心平台是一個穩定與成熟的產品，只要能明瞭熟悉Linux 移植的技巧與重點，使用晶心平台開發Linux的產品將是一件愉快與簡單的工作。 (如果您對此文章有技術方面的疑問，歡迎來信jimmy@andestech.com討論) Copyright © 2012 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站(www.eettaiwan.com)所有內容均受版權保護 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容