一 前言
什么是Circle?
Circle是一個叫rsta2的大佬用C++寫的bare-metal的樹莓派驅(qū)動框架,同時支持現(xiàn)存的幾乎所有版本樹莓派,能夠驅(qū)動樹莓派上的大部分設(shè)備,包SD卡控制器、有線和無線網(wǎng)卡、GPIO、USB控制器及一些常用USB設(shè)備等。
這些設(shè)備驅(qū)動中有一些是rsta2參考Linux或其它bare-metal的實現(xiàn)自己寫的,還有一些是他直接從其它系統(tǒng)移植過來的。各驅(qū)動對外封裝成了C++類的形式,可以按需對其實例化和使用。對于在樹莓派上編寫自制操作系統(tǒng)并且希望盡快驅(qū)動一些設(shè)備的場景,將Circle整個移植過來是非常值得考慮的選項。當(dāng)然,需要注意的是,Circle的開源協(xié)議是GPLv3,具有傳染性,應(yīng)該把它作為系統(tǒng)的非必要組件來使用。
本文干了什么?
本文將簡要記述將Circle驅(qū)動框架移植到一個自制微內(nèi)核操作系統(tǒng)(實際上是實驗室項目),作為用戶態(tài)驅(qū)動進(jìn)程的過程。
由于只是簡要地記錄移植過程和經(jīng)驗總結(jié),本文不會深入到每一個具體的細(xì)節(jié),如果你恰好有相似的需求,除了參考本文,還需要具體地去研究Circle的代碼,并根據(jù)具體情況具體分析。
二 確定需求
首先一開始不要盲目移植,先確定一下自己需要Circle中的哪些設(shè)備驅(qū)動,比如說,如果你只是需要USB相關(guān)驅(qū)動,那么在移植過程中可以不關(guān)心WLAN那塊是否有不兼容。
然后跑一些Circle提供的sample,確定Circle確實可以滿足需求。
三 移植基本部分
這部分包括一些非常必要的組件,比如mailbox訪問,許多驅(qū)動都需要通過mailbox獲取信息或申請資源等。這部分移植完成后,將可以在啟動時獲取機(jī)器信息,并點亮LED燈。
具體地,主要需要做下面這些事情:
1.修改Rules.mk和Makefile,去掉任何boot相關(guān)的代碼。
2.重新實現(xiàn)一些模塊,去除需要特權(quán)指令的地方,并使用用戶態(tài)lib提供的功能代替:
assert:assert失敗后不要真的關(guān)機(jī)或重啟,可以exit;
interrupt:一開始可簡單打印點內(nèi)容,不用真的實現(xiàn);
logger:改為printf輸出;
new:使用malloc分配;
sysinit:提供假實現(xiàn);
timer:使用nanosleep實現(xiàn)SimpleusDelay;
memory:CMemorySystem類可以直接去掉,一開始會有地方用到CMemorySystem::GetCoherentPage;
改用系統(tǒng)提供的分配物理上連續(xù)的non-cacheable內(nèi)存的接口。
3.Circle進(jìn)程啟動時將物理地址的外設(shè)區(qū)域直接對等映射到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間,這樣將不需要改動Circle中通過MMIO訪問外設(shè)時使用的地址。
經(jīng)過一些調(diào)試后,可以點亮LED燈,輸出日志到stdout,然后退出(需要編寫適當(dāng)?shù)?strong>kernel.cpp,可參考sample),這意味著簡單的MMIO已經(jīng)可以了。
四 驅(qū)動屏幕
這一步同樣需要重新實現(xiàn)一些模塊:
synchronize:主要是刷cache相關(guān)操作;
bcmframebuffer:向GPU申請frame buffer后需要將其映射到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址。
經(jīng)過一些調(diào)試后,可以通過HDMI輸出內(nèi)容到屏幕。
五 模擬實現(xiàn)Timer
對于一些稍復(fù)雜的驅(qū)動,例如USB和WLAN,會依賴timer獲取當(dāng)前tick,因此需要重新實現(xiàn)timer模塊。
具體地,可以在CTimer::Initialize中創(chuàng)建一個新的線程,每隔10ms(利用nanosleep等函數(shù))調(diào)用一次CTimer::InterruptHandler,其它代碼幾乎不用改動。此外,還需要實現(xiàn)CTimer::GetClockTicks以獲得當(dāng)前 tick數(shù)。
經(jīng)過一些調(diào)試后,輸出的日志中能夠包含當(dāng)前時間,此時說明timer基本實現(xiàn)對了。
六 解決內(nèi)存相關(guān)的一系列問題
許多驅(qū)動在運行的過程中需要分配內(nèi)存以供外設(shè)進(jìn)行DMA,同時又需要在進(jìn)程內(nèi)訪問這塊內(nèi)存以讀寫跟外設(shè)交互的數(shù)據(jù)。因此,這塊內(nèi)存既需要能通過虛擬地址訪問,又需要能獲取到物理地址,同時在物理地址上連續(xù)且non-cacheable。malloc是不能滿足這個需求的,因為malloc只保證分配出的內(nèi)存虛擬地址連續(xù),不能保證物理地址連續(xù),也無法配置成non-cacheable。
要解決這個問題,需要內(nèi)核提供分配物理上連續(xù)且non-cacheable的內(nèi)存并映射到虛擬地址空間的相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用,然后再在Circle中利用這些系統(tǒng)調(diào)用重新實現(xiàn)內(nèi)存相關(guān)模塊。其實在前面已經(jīng)粗略地實現(xiàn)了,但在這一步需要確保實現(xiàn)的正確性。對Circle的修改主要涉及CMemorySystem::GetCoherentPage、DMA_BUFFER、BUS_ADDRESS、new(HEAP_DMA)的定義及使用它們的地方。
七 用戶態(tài)處理中斷
對于像USB和WLAN這些需要利用中斷通知操作系統(tǒng)發(fā)生了特定事件的設(shè)備,還需要把之前虛假實現(xiàn)的interrupt模塊實現(xiàn)對。
首先要求內(nèi)核提供讓特定用戶態(tài)進(jìn)程處理特定IRQ的能力,具體來說就是驅(qū)動進(jìn)程要能夠通過系統(tǒng)調(diào)用注冊一個函數(shù)作為特定編號的IRQ的用戶態(tài)處理函數(shù),然后內(nèi)核在收到IRQ后調(diào)用此函數(shù)來處理。
接著重新實現(xiàn)interrupt模塊,把CInterruptSystem::ConnectIRQ改為使用上述注冊IRQ處理函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用,暫時用不到的函數(shù)可以不實現(xiàn),比如與FIQ相關(guān)的。
八驅(qū)動USB
Timer、DMA buffer、中斷這幾個重要的部分移植完成后,比較容易就可以驅(qū)動USB控制器,進(jìn)而可以檢測并驅(qū)動USB鍵盤、鼠標(biāo)、存儲、串口轉(zhuǎn)換器等設(shè)備,對于樹莓派3,還可以驅(qū)動有線網(wǎng)卡(LAN7800)。
九其它驅(qū)動
到目前為止已經(jīng)移植了大部分驅(qū)動所需的運行環(huán)境,之后的移植工作主要看具體的需求了,比如如果需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,還要重新實現(xiàn)sched模塊,里面包括線程抽象、調(diào)度、線程同步機(jī)制等。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:移植樹莓派驅(qū)動框架Circle到自制操作系統(tǒng)
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