進(jìn)入和退出例外模式

在真實(shí)系統(tǒng)中，模式之間的切換比我們的實(shí)例更復(fù)雜一些。ARM 總結(jié)了 ARMv8-A 架構(gòu)的行為并在參考手冊中給出。手冊中介紹，只有在接到例外或從例外返回時(shí)，才能改變執(zhí)行所處的例外等級。在接到例外時(shí)，例外等級只能升高或保持不變；在從例外返回時(shí)，例外等級只能降低或保持不變。只有三個(gè)指令能生成針對下個(gè)例外等級的例外：SVC (Supervisor Call)，生成針對 EL1 的例外；HVC (Hypervisor Call)，生成針對 EL2 的例外；SMC (Secure Monitor Call)，生成針對 EL3 的例外。這些指令取值范圍為 0-65,555，允許每個(gè)例外等級有 216 個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。這些指令針對下個(gè)例外等級，而且是唯一可供運(yùn)行在較低例外等級的程序從運(yùn)行在較高例外等級的程序請求某些內(nèi)容的機(jī)制。在我們的理論實(shí)例中，SVC 是 SWITCHSUPER，HVC 是 SWITCHHYPER。

PetaLinux 工具包含一組命令，以供用戶在賽靈思 FPGA 和 SoC 上輕松創(chuàng)建和擴(kuò)展 Linux 系統(tǒng)。

在前一個(gè)部分，我們介紹了能夠讓運(yùn)行在 USER 模式(EL0)的程序進(jìn)入 SUPER 模式 (EL1) 的事件。大多數(shù)運(yùn)行在 USER 模式的程序生成的事件是請求存儲(chǔ)器。當(dāng)運(yùn)行在 EL0 中的用戶空間程序從運(yùn)行在 EL1 中的 OS 請求存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)用戶空間程序的 C 代碼可能調(diào)用函數(shù) malloc()，再由該函數(shù)調(diào)用 mmap() 或 sbrk()，以從 OS 請求一個(gè)指向可用存儲(chǔ)器的指針。在 ARMv8-A 架構(gòu)中的 Linux 上，這個(gè)過程在幕后轉(zhuǎn)化為 SVC 系統(tǒng)調(diào)用。該系統(tǒng)調(diào)用會(huì)把處理器轉(zhuǎn)換為 EL1，從而將控制權(quán)送回 OS，后者會(huì)解讀調(diào)用內(nèi)容并提供正確的響應(yīng)——本例中是指向所請求存儲(chǔ)器區(qū)域的指針，或者是一個(gè)錯(cuò)誤，用以指出沒有可用存儲(chǔ)器。

演示創(chuàng)建和工具

現(xiàn)在我們來介紹我們團(tuán)隊(duì)在 Zynq UltraScale+ QEMU Model 上運(yùn)行 Doom 時(shí)所采用的步驟。這些步驟展示了如何獲得和構(gòu)建運(yùn)行演示所需的每個(gè)組件，如何運(yùn)行以及以什么順序運(yùn)行每個(gè)組件，以及如何與演示交互。成功完成該演示之后，你會(huì)獲得一個(gè)環(huán)境，用來在上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以了解 Xen 管理程序在仿真的 Zynq UltraScale+ MPSoC 上的運(yùn)行情況。還需要將此遷移植 Zynq UltraScale+ MPSoC 芯片，這可作為練習(xí)由用戶來完成。

想玩 DOOM 嗎？

為了讓過程更簡單，賽靈思提供基礎(chǔ)的根文件系統(tǒng)，這樣用戶就無需花時(shí)間和精力自己構(gòu)建。此演示所需的所有下載內(nèi)容在以下網(wǎng)址中均有提供： inx.com/Doom+on+Xen+Demo。

該演示首先通過更新由賽靈思提供的預(yù)編譯根文件系統(tǒng) (rootFS)，可包含所需的組件。然后，利用賽靈思的 PetaLinux 工具運(yùn)行演示。rootFS 包含運(yùn)行于 Linux 系統(tǒng)上的大部分程序——具體來說就是用來啟動(dòng)系統(tǒng)的一組腳本，以及用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用程序與函數(shù)庫集。我們用來擴(kuò)展演示中的基礎(chǔ) rootFS 所使用的兩個(gè)工具分別是 Buildroot 和 PetaLinux。我們使用 Buildroot 為賽靈思提供的基礎(chǔ) rootFS 構(gòu)建 Doom 二進(jìn)制文件，同時(shí)使用 PetaLinux 創(chuàng)建 rootFS 的剩余部分并引導(dǎo)演示。

Buildroot

Buildroot 是一個(gè)簡單的構(gòu)建系統(tǒng)，用于為 Linux 系統(tǒng)創(chuàng)建 rootFS。它使用 make menuconfig 接口，這是一個(gè)用來配置 Linux 內(nèi)核本身的常用方法。Buildroot 包含對 PrBoom 的默認(rèn)支持，這對于本演示很有幫助。(PrBoom 是我們所使用的 Doom 游戲的 GNU 通用公共許可證 [GPL] 版本。這里我們會(huì)穿插使用 PrBoom 和 Doom 這兩個(gè)術(shù)語。 )Buildroot 對 Xen 構(gòu)建不提供本地支持(盡管它可創(chuàng)建用于構(gòu)建 Xen 所需的所有庫和工具鏈)，因此賽靈思提供 Xen、Xen 工具和為用戶預(yù)編譯的 Xen 庫以及其他一些所需的庫，以讓過程簡單直觀。

PetaLinux

PetaLinux 工具包含一個(gè)命令集，以便讓用戶在賽靈思 FPGA 和 SoC 上輕松創(chuàng)建和擴(kuò)展 Linux 系統(tǒng)。該演示使用 petalinux-build 和 petalinux-boot 命令。petalinux-build 命令用于創(chuàng)建全部所需的組件。petalinux-boot 命令(外加幾個(gè)變量)用于啟動(dòng)在 QEMU 仿真器上運(yùn)行的所有組件。介紹 PetaLinux 工具中的所有命令超出了本文的范圍，但是通過此演示系統(tǒng)應(yīng)該很容易發(fā)掘這兩個(gè)命令和其他命令的功能。參考PetaLinux 工具文檔 — 參考指南 UG1144 (v2015.4) 了解更多信息。

項(xiàng)目先決條件

該項(xiàng)目需要一個(gè)運(yùn)行 Linux 的工作站或虛擬機(jī)，具有滿足 UG1144 (v2015.4) 中所列的 PetaLinux 工具安裝要求的環(huán)境，而且環(huán)境中需要安裝賽靈思 PetaLinux Tools v2015.4 版本。

一旦 Doom 啟動(dòng)，你就可以使用鍵盤和鼠標(biāo)控制游戲。應(yīng)記住，可能需要點(diǎn)擊 ESC 鍵來開始游戲。開始游戲咯！

步驟 1：構(gòu)建 ROOTFS

首先，我們需要構(gòu)建 rootFS。從賽靈思下載 doom_demo.tar.gz，打開下載目錄中的一個(gè) terminal；你可在以下網(wǎng)址中找到全部所需文件： +on+Xen+Demo。我們將該目錄稱為 。

解壓文檔。

$ cd
$ tar -xzf doom_demo.tar.gz && cd doom_demo

我們會(huì)看到一個(gè)文件夾，我們將把它存到根文件系統(tǒng)(一個(gè)用于 Dom0，另一個(gè)用于 DomU)。現(xiàn)在，我們需要構(gòu)建 PrBoom，并復(fù)制到 rootFS。

首先，需要下載 Linux 內(nèi)核，這樣我們隨后就可以構(gòu)建 rootFS。我們使用 v4.3 標(biāo)簽。

$ git clone -b v4.3 https://github.com/tor- valds/linux.git

下載 Buildroot 源文件，并更改到 Buildroot 目錄。

$ git clone https://git.buildroot.net/buildroot && cd buildroot

現(xiàn)在我們需要配置 Buildroot，以構(gòu)建可以使用的套件。

$ make menuconfig

我們選擇以下選項(xiàng)：

Target options ---> Target Architecture ---> AArch64 (little endian)
Target packages —> Games ---> prboom ---> [*]
Target packages —> Games ---> shareware Doom WAD file ---> [*]

應(yīng)自動(dòng)選擇全部所需的庫。

$ make # (這需要幾分鐘時(shí)間，取決于機(jī)器。)

現(xiàn)在，我們將所有 PrBoom 相關(guān)文件復(fù)制到 targetfs 目錄，確保我們在 buildroot 目錄下的 ./output/target/ 目錄。

$ for i in $(find ./-name ‘*oom*’); do cp ${i}
/doom_demo/targetfs/${i}; done

現(xiàn)在，我們完成了 Buildroot 操作。我們移到上一個(gè)目錄 doom_demo 目錄。

$ make # Build the host and guest rootFS.(這需要幾分鐘時(shí)間，取決于你的機(jī)器。)

注意：可能還存在額外配置選項(xiàng)，這主要取決于使用的內(nèi)核版本。這些額外配置選項(xiàng)未被我們提供的配置預(yù)先選擇。使用默認(rèn)選項(xiàng)即可(需點(diǎn)擊回車鍵)。

步驟 2：構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)置

接下來，我們?yōu)槠脚_(tái)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)軟件的剩余部分，包括引導(dǎo)裝載程序、ARM Trusted Firmware (ATF)、Linux 內(nèi)核和設(shè)備樹。賽靈思的 PetaLinux 工具讓這個(gè)過程簡單直觀。我們創(chuàng)建一個(gè)針對賽靈思 ZCU102 開發(fā)板的 PetaLinux 項(xiàng)目。參考 2015.4 UG1144 和 AR#66249 中 QEMU 和 MPSoC PetaLinux 的快速入門材料。訪問china.xilinx.com ，將 ZCU102 BSP (板支持包)下載到
目錄下。

$ cd
$ petalinux-create --type project -s
/ Xilinx-ZCU102-v2015.4-final.bsp -- name doom_demo_zynqMP

這樣將在 /doom_demo_zynqMP 中創(chuàng)建我們的 PetaLinux 項(xiàng)目。

我們轉(zhuǎn)到 PetaLinux 項(xiàng)目，并構(gòu)建 PetaLinux。

$ cd /doom_demo_zynqMP
$ petalinux-build

現(xiàn)在，我們需要為本用例手動(dòng)編輯設(shè)備樹。

編輯 xen-overlay.dtsi 文件 (subsystems/linux/ configs/device-tree/xen-overlay.dtsi)。

將 dom0 下的 'reg = <0x0 0x80000 0x3100000>;' 替換為 'reg = <0x0 0x80000 0x4100000>;'

將 dom0 下的 'xen,xen-bootargs = "console=dtuart dtuart=serial0 dom0_mem=512M bootscrub=0 maxcpus=1 time r_ slop=0";' 替換為 'xen,xen-bootargs = "console=dtuart dtuart=serial0 dom0_mem=512M bootscrub=0 maxcpus=4 timer_ slop=0";'

將 dom0 下的 'xen,dom0-bootargs = "console=hvc0 earlycon=xen earlyprintk=xen maxcpus=1";' 替換為 'xen,dom0-bootargs = "rdinit=/bin/sh console=hvc0 earlycon=xen earlyprintk=xen maxcpus=4";'

編輯 zynqmp.dtsi 文件 (subsystems/linux/configs/ device-tree/zynqmp.dtsi)。

將 dom0 下的 'compatible = "cdns,uart-r1p12";' 替換為 'compatible = "cdns,uart-r1p8", "cdns,uart-r1p12";' 現(xiàn)在，手動(dòng)構(gòu)建 Xen 設(shè)備樹。

$ dtc -I dts -O dtb -i ./subsystems/linux/con- figs/device-tree/ -o ./images/linux/xen.dtb ./ subsystems/linux/configs/device-tree/xen.dts

最后，我們需要將 Peta- Linux 構(gòu)建的 rootFS 替換為我們此前構(gòu)建的 rootFS。之所以這樣做，是因?yàn)?PetaLinux 不包含 PrBoom，因?yàn)槲覀兲峁┳约旱?rootFS。我們還需要將 xen.ub 鏡像替換為賽靈思預(yù)先構(gòu)建的鏡像，因?yàn)?Xen 和 Xen 工具版本必須匹配。

$ rm /doom_demo_zynqMP/images/linux/ Image && rm /doom_demo_zynqMP/images/ linux/xen.ub
$ cp /doom_demo/Image /doom_ demo_zynqMP/images/linux/Image && cp / doom_demo/xen.ub /doom_demo_zynqMP/im- ages/linux/xen.ub

使用 u-boot 引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)。

$ petalinux-boot --qemu --u-boot --qemuargs= "- net nic -net nic -net nic -net nic -net us- er,net=192.168.129.0,dhcpstart=192.16 8.129.50,host=192.168.129.1,hostfwd=t cp:127.0.0.1:5900-192.168.129.50:5900"
> setenv serverip 192.168.129.1
> tftpb 4000000 xen.dtb; tftpb 0x80000 Image; tftpb 6000000 xen.ub; bootm 6000000 - 4000000
# /boot.sh
# /xen-doom.sh 1

步驟 3：開始演示

現(xiàn)在，我們可以打開虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 (VNC) 查看器，并在運(yùn)行 QEMU 的機(jī)器上連接 localhost:5900 以觀看 Doom 游戲。(注意：以上命令行只能重定向 5900 端口，因此當(dāng)開始演示時(shí)只能連接到第一個(gè) Doom 實(shí)例。如果想連接多個(gè)實(shí)例，需要為 QEMU 添加更多 hostfwd 變量，并連接到下個(gè)可用的端口[5901 用于下個(gè)實(shí)例，5902 用于第三個(gè)實(shí)例，以此類推]，然后將這些實(shí)例連接。)

一旦 Doom 啟動(dòng)，你就可以使用鍵盤和鼠標(biāo)控制游戲。應(yīng)記住，可能需要點(diǎn)擊 ESC 鍵來開始游戲。還應(yīng)記住，你已經(jīng)很長時(shí)間沒玩 Doom 游戲了，因此你可能走不了多遠(yuǎn)。 別氣餒。使用自己構(gòu)建的系統(tǒng)絕對“可行”。

XEN 深入探討

正如“Zynq MPSoC 獲得 Xen 管理程序支持”(賽靈思中國通訊，第 93 期)中所介紹， Type 1 管理程序在本機(jī)硬件上運(yùn)行，Type 2 管理程序不是軟件的最底層，而是托管在 OS 上。Xen 屬于 Type 1 管理程序(圖 4)。

?

圖 4：作為 Type 1 管理程序，Xen 在本機(jī)硬件上運(yùn)行，虛擬機(jī)在 Xen 之上運(yùn)行

以前，我們提到了虛擬處理器(也稱虛擬機(jī))。在 Xen 中，這些被稱為域。特權(quán)最高的域被稱為 Dom0；無特權(quán)的客戶域是 DomU 域。

Dom0 是 Xen 管理程序在引導(dǎo)時(shí)創(chuàng)建的初始域。它是特權(quán)域，并驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的設(shè)備。Xen 將 CPU、存儲(chǔ)器、中斷和定時(shí)器虛擬化，為虛擬機(jī)提供一個(gè)或多個(gè)虛擬 CPU、系統(tǒng)存儲(chǔ)器的一部分、一個(gè)虛擬中斷控制器和一個(gè)虛擬定時(shí)器。除非配置為其他方式，否則 Dom0 可直接訪問所有設(shè)備并驅(qū)動(dòng)它們。Dom0 還運(yùn)行一組名為半虛擬化 (PV) 后端的驅(qū)動(dòng)，為無特權(quán)虛擬機(jī)提供對磁盤、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的訪問權(quán)。Xen 提供用于發(fā)現(xiàn)和初始通信設(shè)置的所有工具。作為 DomU 的 OS 通過運(yùn)行相應(yīng)的 PV 前端驅(qū)動(dòng)程序來獲得對一組通用虛擬設(shè)備的訪問權(quán)。根據(jù) DomU 的數(shù)量，單個(gè)后端可服務(wù)多個(gè)前端。有一對適用于所有最常見設(shè)備類型(磁盤、網(wǎng)絡(luò)、控制臺(tái)、幀緩沖器、鼠標(biāo)、鍵盤等)的 PV 驅(qū)動(dòng)程序。PV 驅(qū)動(dòng)程序通常位于 OS 內(nèi)核（即 Linux）中。幾個(gè) PV 后端也可以在用戶空間中運(yùn)行，通常在 QEMU 中。前端在存儲(chǔ)器的共享頁上使用簡單的環(huán)協(xié)議連接后端。從 Dom0 與管理程序交互要求程序使用定義的管理程序調(diào)用(類似于系統(tǒng)調(diào)用)。Xen 提供一個(gè)名為 Xen Tools (也可寫成 xen-tools)的、帶有庫的參考工具箱。xen-tools 包含一個(gè)名為 xl 的程序，該程序可與其他程序一起檢查狀態(tài)和創(chuàng)建客戶機(jī)。

利用設(shè)備半虛擬化，可在管理程序與客戶機(jī)之間就如何進(jìn)行通信達(dá)成協(xié)議。常見的通信協(xié)議為 Xen Bus 和 VirtIO。

xl 中的“create”命令要用到描述客戶機(jī)的配置文件，如果配置文件規(guī)定客戶機(jī)需要一個(gè)由 VNC 會(huì)話支持的虛擬幀緩沖器 (VFB)，那么 xl 會(huì)在 Dom0 用戶空間中自動(dòng)啟動(dòng)虛擬化代碼(本演示中，為每個(gè)客戶機(jī)啟動(dòng)一個(gè))。