FPGAでLinuxを実行する：Hello、World

UPD 09/21/16： BusyBoxが正常に起動するようになりました。


著者がMars rover 2 FPGAボード上のAmber SoCおよびLinuxチップでオープンシステムを実行しようとするMars roverプロジェクト Webサイトの一連の記事に触発され、私はTerasic DE2-115ボードでこの経験を繰り返すことにしました。 しかし、 巨大なたわごとと同じくらい古いレガシーの古いバージョンのLinux 2.4.27の代わりに、私は現時点でLinuxの最新バージョンである4.8.0-rc5を立ち上げます。

アンバークリスタルシステム

Amberプロセッサコアは32ビットRISCプロセッサで、アーキテクチャおよびARM v2aコマンドシステムと完全に互換性があり、GCCを使用してプログラムをコンパイルできます。 プロセッサ自体に加えて、Amberプロジェクトでは、UART、タイマー、イーサネットMACなど、オンチップシステムの一部としていくつかの周辺機器を提供しています。 プロセッサコアには2つのバージョンがあります。

	23色23	アンバー25
コンベアベルト	三段階	5つのレベル
キャッシュ	一般（コード+データ）	別れる
ウィッシュボーン用タイヤ	32ビット	128ビット
性能	0.75 DMIPS / MHz	1.05 DMIPS / MHz

ご覧のとおり、プロセッサコアのパフォーマンスは、ARMv4やARMv5など、ARMアーキテクチャの新しいバージョンに基づいたコアのパフォーマンスに匹敵します。 ARMv2aアーキテクチャは、特許で保護されておらず、その実装を自由に配布できるため、Amberプロセッサに実装されています。 ただし、これに関連するいくつかの問題があります。このアーキテクチャはGCCで廃止されたと見なされており、GCCのサポートは徐々に「カットアウト」され、このアーキテクチャのサポートは長い間Linuxカーネルから削除されました。

アーキテクチャの重要な機能は、ARMアーキテクチャの新しいバージョンとは異なり、プロセッサがTHUMBモードをサポートせず、CPSR / SPSRレジスタを持たず、MSR / MRS命令をサポートせず、プロセッサのフラグがPCレジスタビットのビットに含まれていることです。


このため、プロセッサはPCレジスタ内の最大64 MBのメモリ（26ビット）をアドレス指定できます。最低2つは常に0です。 命令は常にワード境界で整列されるため、レジスタの最下位2ビットは、プロセッサの動作モード（ユーザー/特権、割り込みハンドラー）を決定するフラグに使用されます。 他のレジスタでは、プロセッサは最大4 GBのメモリをアドレス指定できます。 プロセッサコアアーキテクチャとそれに実装されているコマンドセットの詳細については、 こちらとこちらをご覧ください 。

ARM Cross Compilerのインストール

残念ながら、プロジェクトをMarsローバーボードに移植する記事の著者が使用したSourcery CodeBench Liteコンパイラはダウンロードできなくなりましたが、これはそれほど大きな問題ではありません。 Gentoo Linuxでcrosstool-NGまたはcrossdevを使用してコンパイラをインストールできます。

crosstool-NGを使用してインストールするには、「箱から出してすぐに」利用可能なarm-unknown-eabiを使用します。

 $ ct-ng arm-unknown-eabi $ ct-ng build 

このコンパイラは、Linuxカーネルと、ブートローダーなどのベアメタルプログラム、およびシリアルポートにHello、Worldを出力する単純なアプリケーションを構築するために使用されます。

Hello Worldをコンパイルし、VerilogシミュレーターでVerilatorを実行します

GitHubからプロジェクト配布キットをダウンロードして内部を見る：プロジェクトは2つの部分に分かれていますhwフォルダーにはVerilogの「ハードウェア」部分のソースが含まれ、 swフォルダーにはプロセッサーで実行されるプログラムのソースコードと、 ELFおよびBINファイル形式のアセンブリおよび変換を、Amberプロジェクトのザイリンクスツールおよびテストスクリプトがサポートする形式に変換します。

sw/helloフォルダーに移動して、 hello-world.cをコンパイルします。

 $ cd sw/hello-world $ export AMBER_CROSSTOOL=arm-unknown-eabi $ make 

その結果、とりわけhello-world.memファイルが生成されます-コンパイルされたプログラムの内容を含むテキストファイルで、シミュレーターとプロセッサーのブートROMにロードするのに適しています。

私が導かれた元の記事の著者は、無料で非常に人気のあるシミュレータであるIcarus Verilogを使用してプロジェクトをシミュレートしましたが、問題は動作が非常に遅いことです-2.6 GHzプロセッサを搭載したマシンでは、Icarus Verilogでシミュレートするときのアンバーコアクロックは約16 kHz、および上記の例の文字列「Hello、World」の各文字が約0.5秒間表示されます。 この速度は、ブートローダーや同じhello-worldなどの小さなプログラムの実行をデバッグする必要がある場合は十分ですが、Linuxカーネル全体のロードをデバッグする必要がある場合は受け入れられません-永遠に待たなければなりません。

したがって、C ++でVerilogをコンパイルし、非常に高速に動作するVerilatorシミュレーターを使用します.Hello Worldは目に見える遅延なしで即座に印刷され、マシンのクロック周波数は約1.5 MHzで、Icarus Verilogよりも100倍高速です！ ちなみに、Linuxカーネル起動のデバッグプロセスには約1週間かかりました。シミュレーションモードでは、テストベンチコードが、アドレスへの移行や非同期を含むプロセッサによって実行されるすべての命令のアセンブラーリストをテキストログファイルに書き込むため、ソフトウェア割り込みなど Verilogに実装された一種の逆アセンブラ。

公式サイトの指示に従ってVerilatorをインストールし、修正されたテストベンチがあるhw/de2_115/tbフォルダーに移動し、 makeを実行しmake 。 Verilogコンパイラの警告ストリームにもかかわらず、結果としてobj_dirフォルダーが表示され、システムをシミュレートするために実行obj_dir実行可能ファイルがobj_dirます。

次に、次のコマンドを実行します。

 $ cp ../../../sw/hello-world/hello-world.mem ./boot-loader.mem $ ./obj_dir/Vtb 

その結果、シミュレーションが開始され、待望のHello、Worldが表示されます。

 Load boot memory from boot-loader.mem Read in 961 lines Hello, World! 

これは、GCCがARM用にコンパイルしたプログラムをプロセッサが正常に読み取り、実行したことを意味します！

必要に応じて、 Makefile --traceスタートアップリストにverilatorキーを追加できます。テストベンチ操作中に別のテストファイルout.vcdが生成されます。このファイルはout.vcdで開き、プロセッサーおよび他のブロック内のさまざまな信号の波形を確認できます：

Builtrootを使用してinitramfsをビルドする

Linuxカーネルをアセンブルする前に、システムのユーザープログラムをコンパイルする環境（uClibc-ngに基づく）を作成し、ビルドプロセス中にinitramfsとしてカーネルに追加されるファイルを生成します。 これを行うには、ここからダウンロードできるBuildrootを使用します 。

 $ make amber_defconfig $ make 

その結果、。 arm-buildroot-uclinux-uclibcgnueabiとファイルシステムイメージが./output/images/rootfs.cpioます。 このイメージへのパスは、カーネル構成ファイルのパラメーターCONFIG_INITRAMFS_SOURCEで指定する必要があります。 BusyBoxはファイルシステムイメージに含まれていますが、それでも私には起動しません （現在 は起動して います）が、この記事のフレームワーク内では、プロセス/sbin/initとして単純な「Hello、World」に制限し/sbin/init 。 これを行うには、BuildRootが各プログラマーに既知の内容を含むhello.cファイルを作成するディレクトリで、次のコマンドを実行します。

 $ ./output/host/usr/bin/arm-buildroot-uclinux-uclibcgnueabi-gcc -o hello hello.c $ mv hello output/target/sbin/init $ rm hello.gdb $ make 

これらのコマンドが正常に実行されると、BusyBoxの代わりにアプリケーションで./output/images/rootfs.cpioが再構築されます。 このファイル置換の方法は、何かをすばやくチェックするのに適しています。ビルドプロセス中にrootfsのファイルを完全に追加および置換するには、構成オプションBR2_ROOTFS_OVERLAYがあります。

Verilatorシミュレータで実行した例とは異なり、この新しい「Hello、World」はベアメタルアプリケーションとしてではなく、カスタムLinuxアプリケーションとして動作しています。テキストは、標準のuClibcライブラリを使用してシリアルポートに出力されます。 writeシステムコールは、ソフトウェア割り込みを介してカーネルに制御を移し、カーネルは制御をttyドライバーに、次にシリアルポートドライバーに移し、最後にメッセージが表示されます。

Linuxカーネルとブートローダーの構築

当然、最新のカーネルを起動するために、いくつかの変更を行う必要がありました。 このコードはアーキテクチャに依存しているため、ほとんどの場合、これらの変更は割り込み処理とプロセッサモードの切り替えに関連しています。 次に、インテグレータープラットフォームサポートコード（mach-integrator）を変更しました。 2.4カーネル用のAmberプロジェクトの作者の元のパッチには、このプラットフォームがAmber SoCアーキテクチャのプロトタイプであるというヒントがあります（特に、割り込みコントローラー、タイマー、シリアルポートなどの周辺機器が、使用されるデバイスドライバーと互換性があることが判明しましたこのプラットフォーム）、およびそれに基づいて新しいアンバープラットフォームを作成しました。

幸いなことに、デバッグクロックは遅れており、現在では作業用コアの組み立ては手首を軽く動かすだけで完了しています。 繰り返したい場合は、ソースを複製して次のコマンドを実行できます。

 $ make ARCH=arm CROSS_BUILD=arm-none-eabi- amber_defconfig $ make -j8 ARCH=arm CROSS_BUILD=arm-none-eabi- Image $ make ARCH=arm CROSS_BUILD=arm-none-eabi- arch/arm/boot/dts/amber-de2115.dts 

カーネルをアセンブルした後、 arch/arm/boot/Imageおよびarch/arm/boot/dts/amber-de2115.dtbファイルが作成され、XMODEMプロトコルを使用してシリアルポート経由でブートローダーを使用してボードにダウンロードできる状態になります。

ブートローダーをビルドするには、 sw/boot-loader-serialフォルダーに移動し、 make （ AMBER_CROSSTOOL環境AMBER_CROSSTOOL忘れないでください）を実行し、 boot-loader-serial.mem 。これは、 mem2mifユーティリティを使用してアルテラでMIF形式に変換できますメモリ初期化ファイルとしてのQuartus II。

すべてをまとめる

Terasic DE2-115ボードをお持ちの場合は、 de2_115.qpfプロジェクトを開いて合成します（私のプロジェクトでは、マザーボードにCOMポートがないため、シリアルポートはボードのRS232ではなくEXT_IOコネクタに接続されています） ）、前の手順boot-loader-serial.mif受信したboot-loader-serial.mifメモリファイルde2_115_sram_2048_32_byte_enとして指定し、ビットストリームをボードにロードします。 既知の開発者の1人にとって、Amberプロセッサはリセットロジックを実装していなかったため、ビットストリームをリロードすることによってのみプロセッサを初期状態にリセットできます。 同時に、プロセス中にKEY0ボタンが押されると、プロセッサはプログラムがリリースされるまでプログラムを開始しません。 このボタンを使用して、SignalTapを使用してVerilogコードをデバッグしました。 しかし、彼女を手放した場合、ビットストリームを再起動するだけで最初からやり直すことができます。

921600ボーに設定された端末にビットストリームをロードすると、すぐにboot色のブートローダープロンプトが表示されます。 次に、 b 80000コマンドを入力して、以前にXMODEMを使用して形成されたLinuxカーネルファイル（ arch/arm/boot/Image ）を送信し、次にb 78000コマンドを再度入力して、検索するデバイスを説明するDTBファイルを送信する必要があります。どのドライバーをロードするか、システムに搭載されているRAMの量、カーネルパラメーターとその他の情報を含むコマンドライン。 ブートローダーにパッチを当て、DTBを探すアドレスとしてアドレス0x78000をカーネルに送信するようにしたので、このアドレスでロードします。



最後に、両方のファイルがRAM（SDRAM）に読み込まれると、ブートローダーコンソールでj 80000コマンドを入力できます。 Linuxはロードを開始し、すべてが正しく行われた場合、結果は次のようになります。



「Hello、World」は最初のユーザープロセス（ /sbin/init ）として始まり、標準ライブラリとカーネルを介して、画面に切望されたフレーズを表示しました。 すごいですね。

Terasic DE2-115ボードまたは十分なサイズのFPGAを搭載した他のボードがない場合でも、VerilatorシミュレーターでLinuxを実行できます。 これを行うには、 -DAMBER_LOAD_MAIN_MEM=1および-DAMBER_LOAD_DTB_MEM=1をhw/de2_115/tb/MakefileにVtb 、 Vtb実行可能ファイルを再構築します。 次に、 amber-bin2memを使用して、シミュレータ用のカーネルファイルとDTBファイルを作成します。

 $ amber-bin2mem arch/arm/boot/Image 80000 > vmlinux.mem $ amber-bin2mem arch/arm/boot/dts/amber-de2115.dtb 78000 > dtb.mem 

さらに、通常モードではユーザーからのコマンドを要求するため、 main関数の呼び出しをコメント化して、シミュレーション用のブートローダーコードをわずかに変更する必要があります。 その後、ブートローダーはすぐに制御をLinuxカーネルに転送します。 *.memファイルを*.memフォルダーにコピーし、。/ ./obj_dir/Vtb / ./obj_dir/Vtbを実行して、Linuxの起動を監視します。

制限、実用的な利点

もちろん、結果として起動したLinuxは、AmberプロセッサコアにMMU（メモリ管理ユニット）がなく、その結果、仮想メモリサポート（すべてのメモリ）があるため、サーバーやワークステーションで使用するLinuxとはまったく異なります。物理的）、メモリ保護（任意のアプリケーションがカーネルメモリを損なうか、Wishboneバスを介してそれをバイパスするデバイスと通信できる）、コピーオンライトなど。NOMMULinuxは現在、通常の形式のELF実行可能ファイルをサポートしていません（ただし、 FDPIC ELF形式をサポートする開発があります）および動的なよだれかけ ioteki -代わりに使用bFLT形式（バイナリフラット） -に基づいて、単純な形式a.out 。 そして、そのようなシステムでアプリケーションのN個のコピーを実行すると、まったく同じ数のコピーがメモリに保存されます。

行われた作業からは実際的な利点がまだあります。Linuxの「剥ぎ取られた」バージョンであっても、リソースが限られているマイクロコントローラーをベースにした多くのデバイスで機能します。 FPGAプログラミング愛好家が、FPGA合成プロセッサ（ちなみに、DE2-115では容量の8％または約10,000 LEしか占有しない）で本格的なLinuxを試すことにより、自分にとって有益なことを学べることを願っています。 アルテラまたはザイリンクスに基づいた別のボードがある場合、それへの移植は難しくありません。 ほとんどの作業はすでに完了しています。 もちろん、FPGAと同じチップ上に完全なARM-SoCを含むXilinx Zynq、Altera Cyclone V SoCなど、実用的な観点から既により興味深いソリューションが既にありますが、この記事で紹介するソリューションにより、シンプルなボードの所有者でもLinuxを起動できますボード上の非常に強力なFPGA。 残りのフリーロジックを使用して、Wishboneバスに掛けて、ドライバーを使用してOSからアクセスできる新しいカスタムペリフェラルを実装できます。

計画

Terasic DE2-115ボードは、興味深いプロジェクトがすでに作成されていることに基づいて、最も強力なデバッグボードの1つです（ 最も明るい例があり、 別の 例があります）。 幅広い周辺機器が搭載されています。

• 128 MB SDRAM
• 8 MB SPIフラッシュ
• LEDと7セグメントインジケータ
• 16x2液晶ディスプレイ
• 24ビットオーディオコーデック
• SDカードスロット
• 2ギガビットイーサネットポート
• VGAモニター出力、キーボード用PS / 2
• USBポート

このすべての富のうち、このプロジェクトではこれまでランダムアクセスメモリのみを使用しました。 将来的には、時間があれば、U-Bootをコンパイルして、内蔵フラッシュメモリ、FPGAのブートローダーコードに配置し、U-Bootをロードすると、LinuxカーネルとルートファイルシステムがSDメモリカードからロードされます。 さらに、ボード上で利用可能な周辺機器（イーサネットなど）のサポートを実装したいと思います。