基于32位RISC處理器之SoC平臺的Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)

摘要： 本文會介紹如何在兼容ARM V4指令集的32位RISC處理器(FA526)所構(gòu)建的SoC平臺上(即FIE8100)，運(yùn)用智原科技所提供的FA526-Linux開發(fā)包通過armboot裝載Linux操作系統(tǒng)。使開發(fā)人員可以在基于FIE8100 SoC的仿真平臺-MediaCreative!上進(jìn)行二次開發(fā)和驗證設(shè)計。

智原科技的FIE8100 SoC平臺是利用智原科技所開發(fā)并驗證過的大量硅知識產(chǎn)權(quán)構(gòu)建而成的高性能用于低功耗，可攜式視頻相關(guān)應(yīng)用開發(fā)的SoC平臺，它也可用于基于FA526 CPU的SoC設(shè)計的驗證。

基于FA526-Linux軟件開發(fā)套件，開發(fā)人員可以將Linux-2.4.19軟件環(huán)境在FIE8100平臺上安裝實現(xiàn)，通過完成對平臺上所有IP的驅(qū)動程序安裝和對FA526的內(nèi)部調(diào)試。

FA526介紹

FA526是一顆有著廣泛用途的32位RISC處理器。它包括一個同步CPU內(nèi)核(core)，獨立的指令/數(shù)據(jù)緩存(cache)，獨立的指令/數(shù)據(jù)暫存器(scratchpads)，一個寫緩存(write buffer)，一個內(nèi)存管理單元(memory management unit)和JTAG在線仿真(ICE)接口。CPU內(nèi)核是6級流水線(pipeline)的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，包括：取指令(fetch)，解碼(decode)，搬移(shift)，執(zhí)行(execution)，數(shù)據(jù)訪存(memory)，寫回(write)。為了提高整體性能，F(xiàn)A526 CPU也包含了一個分支運(yùn)算緩存(Branch Target Buffer:BTB)來減少分支運(yùn)算的開銷(penalties)。

圖1  FA526功能模塊圖

FA526 CPU內(nèi)核的指令是兼容ARM V4的結(jié)構(gòu)，并使用AMBA AHB 接口于外部設(shè)備進(jìn)行通訊。因此，F(xiàn)A526 CPU有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是針對那些需要高性能和低功耗的應(yīng)用。FA526 CPU 內(nèi)核是完全同步的，并且其基于單相時鐘(single-phase clock)的結(jié)構(gòu)可以很容易地實現(xiàn)集成開發(fā)系統(tǒng)級芯片(System on Chip: SoC)。FA526 CPU內(nèi)核的方塊圖如圖1所示。

FA526 CPU內(nèi)每個功能模塊的說明如下：

CPU Core
FA526完全兼容ARM V4結(jié)構(gòu)，包括V4指令集和一個寄存器指令集。總共30個通用寄存器和6個處理器狀態(tài)寄存器。FA526提供7種處理器模式，包括：Supervisor, System, FIQ, IRQ, abort, undefined and user.

分支運(yùn)算緩存(Branch Target Buffer：BTB)
分支運(yùn)算緩存可通過一種分支處理預(yù)言(branch prediction)機(jī)能來提高處理器的性能。憑借此精確分支處理預(yù)言，BTB可解決控制相關(guān)(dependency)和減少分支運(yùn)算開銷(branch penalty)。FA526在分支處理預(yù)言里采用2位計數(shù)器算法，并提供一個無效的全BTB輸入的操作(Entries operation)。

圖2  基于FA526 CPU的FIE8100系統(tǒng)架構(gòu)

圖3  基于FIE8100 SoC的開發(fā)板：MediaCreative!

指令緩存和數(shù)據(jù)緩存(ICache and DCache)
指令/數(shù)據(jù)緩存運(yùn)用本地編程(program's locality)的方式來提高處理器性能。它在一個快速本地內(nèi)存里存儲最近期使用過的指令或數(shù)據(jù)。他們的大小通常為8K或16K

內(nèi)存管理單元(MMU)
FA526 MMU有一個標(biāo)準(zhǔn)的可配置的4路組關(guān)聯(lián)快表(4-way set-associative TLB)。它可在地址傳輸緩存最近期使用過的頁表(page)，它也是和ARM架構(gòu)完全兼容的。

指令/數(shù)據(jù)暫存器(IScratchpad and DScratchpad)
暫存器是一個靠近處理器內(nèi)核的快速片上SRAM。一些要求性能高的代碼和數(shù)據(jù)可被預(yù)抓取(pre-fetched)到暫存器并全速的執(zhí)行。這主要用于嵌入式應(yīng)用。暫存器可以是1 Kbytes, 2 Kbytes或4 Kbytes。

總線界面單元(Bus Interface Unit:BIU)
總線界面單元可從CPU內(nèi)核里接受內(nèi)存訪問的請求并通過外部系統(tǒng)總線執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)。FA526的總線界面單元使用AMBA 2.0(AHB)的界面協(xié)議。AHB是一種流水總線協(xié)議。它使用單相時鐘運(yùn)算方式，使得設(shè)計人員能夠在SoC集成上很容易地采用。

寫回(Write Buffer: WB)
寫回可以在進(jìn)入下一個內(nèi)存層時避免寫延遲和減少寫堵塞。FA526寫回緩存包括一個8個字的地址緩沖器和一個4個字的數(shù)據(jù)緩沖器。

ASIE Interface
ASIE可用于處理器功能的擴(kuò)展。它提供兩個擴(kuò)展功能：協(xié)助器的連接和指令擴(kuò)展(coprocessor connection and extension instruction). 

在線仿真器(ICE)
FA526提供兩種ICE協(xié)議：Faraday ICE 調(diào)試器和ARM ICE調(diào)試器。

省電控制單元(Power Saving Control Unit)
省電節(jié)省控制單元控制著整個芯片時鐘以減少操作功耗。當(dāng)軟件程序發(fā)現(xiàn)CPU已長時間的處在空閑狀態(tài)，它會強(qiáng)制讓處理器進(jìn)入省電模式。處理器支持兩種省電模式：Idle and Sleep。在Idle模式下，處理器內(nèi)部電路的時鐘除了省電控制單元都停止下來。在Sleep模式下，處理器內(nèi)部電路包括PLL都停止。在省電模式下，處理器可以通過一個中斷或一個ICE驅(qū)動來喚醒。這樣的啟動時間需要16個時鐘周期，大約5個微秒從Sleep模式到喚醒。
  
FIE8100 SoC 平臺介紹

FIE8100 SoC平臺集成了眾多外設(shè)，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖2所示。一顆高性能處理器內(nèi)核和功耗管理以特別應(yīng)對MPEG-4和JPEG的市場需求。目前，智原的MPEG4/JPEG Codec所支持的格式為Simple Profile Version 3.1,其包含XviD編碼和一部分的DivX編碼。

FIE8100 SoC平臺包含了非常豐富的功能模塊以支持多種應(yīng)用，包括：FA526(32Bit RISC CPU), MPEG-4/JPEG 編解碼引擎, USB2.0 設(shè)備控制器, USB2.0 PHY(物理層), LCD 控制器, DMA 控制器，TV Encoder(解碼器)，Capture(視頻捕捉器)和AMBA總線架構(gòu)。為了讓用戶能將自己的IP或功能模塊順利的運(yùn)行在FA526上，智原將AHB總線從CPU的引線中拉出，以及搭配各類接口和片外芯片，開發(fā)制作了一個基于FIE8100 SoC的仿真平臺： MediaCreative!。如圖3所示。
 
基于FA526的Linux安裝

開發(fā)系統(tǒng)之介紹
所需主開發(fā)環(huán)境
開發(fā)Linux的主系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境需要有：
硬件：
* 兼容Intel x86的PC
* 標(biāo)準(zhǔn)16550 UART接口
軟件：
* Linux操作系統(tǒng) (RedHat 7.3~8.0或更高版本)
* FA526-Linux 軟件包
通用平臺系統(tǒng)所需的器件：
- MediaCreative! (含F(xiàn)IE8100/FWAB326AA芯片)  x 1
- 64MB SDRAM            x 1
- 32MB Flash                     x 1
FA526的Linux安裝
介紹
本章節(jié)將介紹FA526-Linux的架構(gòu)和實現(xiàn)安裝。
FA526-Linux可以將Linux-2.4.19軟件環(huán)境在Faraday FA526處理器和外設(shè)IP上安裝實現(xiàn)。
FA526-Linux軟件包
FA526-Linux軟件包以“arm-linux-20050429.tgz”打包文件遞交。(此程序發(fā)布于April 29, 2005)                      
表1  安裝Linux所需的硬盤空間

安裝FA526-Linux軟件包，流程如下：
1.  拷貝文件 arm-linux-20050429.tgz 至目錄 /usr/src.
# cp arm-linux-20050429.tgz /usr/src

2.  解包文件"arm-linux-20050429.tgz".
# cd /usr/src
# tar zxvf arm-linux-20050429.tgz

3.  安裝Toolchain (GCC-2.95.3, Binutils-2.11.2, GLIBC-2.2.3) 至目錄/usr/local.
# cp /usr/src/arm-linux/toolchain/arm-linux-toolchain.tgz /usr/local/
# cd /usr/local
# tar zxvf arm-linux-toolchain.tgz
# rm -f arm-linux-toolchain.tgz
此步驟將在目錄 /usr/local/arm解壓GCC-2.95.3, Binutils-2.11.2 和 GLIBC-2.2.3的輸出文件.

4.  添加 GCC 執(zhí)行路徑至shell環(huán)境。
可執(zhí)行以下命令來添加路徑：
# export PATH=$PATH:/usr/local/arm/2.95.3/bin
在完成了以上四個安裝步驟后，你就可以繼續(xù)安裝FA526 Linux 內(nèi)核或做應(yīng)用了。
FA526-Linux目錄結(jié)構(gòu)
假設(shè)主目錄是 /usr/src/arm-linux/。當(dāng)你在/usr/src/arm-linux/下解壓打包文件，如：arm-linux20050429.tgz，系統(tǒng)會自動生成一組目錄，如圖4。
在表2中，列出了這些源目錄的定義。用戶的應(yīng)用程序包含在目錄/usr/src/arm-linux/user/下，而客戶定制的RAM-Disk則包含在目錄/usr/src/arm-linux/images/下。
表2  FA526 軟件包目錄

FA526-Linux的構(gòu)建和開發(fā)
本節(jié)將描述在嵌入式系統(tǒng)里配置和構(gòu)建FA526-Linux內(nèi)核。
內(nèi)核目錄樹 (Kernel Tree)
FA526的Linux內(nèi)核子目錄在以下的目錄里：
/usr/src/arm-linux/arm-linux-2.4.19/
FA526-Linux目錄的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核一樣，版本是2.4.19. 以下表格列出了Linux內(nèi)核子目錄的內(nèi)容。
(為書寫簡略，<TOPDIR> 代表 /usr/src/arm-linux/arm-linux-2.4.19)
表3內(nèi)核子目錄內(nèi)容。
 

圖4  FA526 軟件包目錄樹

圖5  FA526-Linux xconfig介面

構(gòu)建內(nèi)核
本節(jié)描述了如何為FA526架構(gòu)生成內(nèi)核的映像
配置內(nèi)核
構(gòu)建內(nèi)核的第一步是配置內(nèi)核。配置文件在目錄<TOPDIR>/.config
通常，用戶可能為了一些如下的因素要求重新配置FA526-Linux:
定制處理器和板子的功能：修改UART時鐘，系統(tǒng)時鐘等。
定制硬件設(shè)備：添加或刪除某些特殊設(shè)備。
定制內(nèi)核功能：添加或刪除一個內(nèi)核的功能，如網(wǎng)絡(luò)支持。

     
          圖6  FA526-Linux menuconfig介面                圖7   配置RAM-Disk的大小

Linux內(nèi)核配置為配置這些可選項目提供了兩種常用方式：
轉(zhuǎn)換目錄至<TOPDIR>
1． 使用菜單顯示來選擇項目：
# make menuconfig
2． 使用GUI顯示來選擇項目：
# make xconfig
在圖5里，顯示了針對FA526和CPE開發(fā)板的FA526-Linux的xconfig 介面。 
在圖6里顯示了針對FA526和CPE開發(fā)板的FA526-Linux的menuconfig介面
FA526系統(tǒng)中的主要選項有以下幾種：
(CPE) ARM system type
默認(rèn)值選中CPE開發(fā)板來支持Faraday CPE(Common Platform Environment)。
[*] Support FA526 processor
設(shè)置FA526系列處理器選項來支持FA526 CPU.
(FIE8100) Platform environment
選擇平臺設(shè)定：A320，F(xiàn)IE8100, FIE7000
(44000000) System clock
FIE8100的默認(rèn)值是44MHz。開發(fā)人員必須根據(jù)實際的電路板設(shè)定來做調(diào)整。
(22118400) UART clock
FIE8100的UART時鐘是22.184MHz開發(fā)人員可根據(jù)實際的電路板設(shè)定來設(shè)置UART時鐘頻率。
Making內(nèi)核
如果是第一次make Linux內(nèi)核，你可以清除所有目標(biāo)文件，并重新創(chuàng)建從屬文件(dependency)。如果要修改內(nèi)核的配置，則需要調(diào)用“make dep”。操作步驟如下：
# make clean
# make dep
FA526-Linux 提供了內(nèi)核腳本文件(shell-script) “mkbootp.sh”， 這可以使Make內(nèi)核更容易。
# ./mkbootp.sh
此操作可創(chuàng)建名為bootpImage的最終內(nèi)核映像文件(kernel image)和名為vmlinux 的內(nèi)核ELF文件。以下操作是修改mkbootp.sh的一個例子：
1 使用定制的ram-disk: 為你的特殊規(guī)格的ramdisk修改“make bootpImage INITRD=<your ramdisk>”?？尚薷摹癉efault RAM disk size”來滿足ramdisk的大小(見圖7). 可在“Block devices”配置界面里通過“make xconfig”來設(shè)置。
2 復(fù)制輸出映像到特定目錄: 在mkbootp.sh檔案上修改這一行“cp <source> <target>”以符合你的需求。
Mkbootp.sh的內(nèi)容是：
“make bootpimage INITRD =/usr/src/arm-linux/images/ramdisk.gz”
“cp arch/arm/boot/bootpImage /tftpboot/mbootpImage”
建立ARMBOOT
FA526-Linux使用ARMBOOT來裝載操作系統(tǒng)。
配置ARMBOOT
FA526的ARMBOOT使用一個名為“faraday.h”配置文件來配置各種不同的硬件環(huán)境。此文件被放在 /usr/src/arm-linux/armboot-1.1.0/faraday.h。其可修改的內(nèi)容和值包括(通常不需要改動)：
修改系統(tǒng)時鐘。對于MediaCreative!平臺，它的默認(rèn)值是44MHz.
修改UART時鐘。對于MediaCreative!平臺，應(yīng)是22.1184MHz.
修改Flash塊號。對于MediaCreative!平臺，F(xiàn)lash的塊號是1。
Marking Armboot
一旦你已經(jīng)修改了MAC和IP,就可以通過以下的命令來建立ARMBOOT：
# cd /usr/src/arm-linux/armboot-1.1.0
# make
系統(tǒng)會在目錄里自動生成"armboot.bin"文件。你應(yīng)該根據(jù)這個指令將armboot燒入到FIE8100的Flash器件里，并且編寫特定鏡像文件armboot.bin至Flash地址： 0x80400000.

FA526-Linux操作系統(tǒng)裝載工具(OS Loader)-ARMBOOT
作為Linux業(yè)界里最著名的OS Loader,ARMBOOT可以從終端協(xié)議(如:Kermit)來裝載鏡像文件和啟動Linux內(nèi)核.它也可以提供Flash的使用方法和以太網(wǎng)TFTP的傳輸功能。

圖8  設(shè)置tftp 服務(wù)器

運(yùn)行ARMBOOT
FA526-Linux軟件包提供的ARMBOOT代碼可執(zhí)行以下任務(wù)：
Flash的編程
通過UART或以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至PC
裝載或分配Linux內(nèi)核
可從閃存(Flash)里或通過ICE來運(yùn)行ARMBOOT
經(jīng)由ICE運(yùn)行ARMBOOT
可通過以下步驟：
1． 通過JTAG ICE連接FA526目標(biāo)器和PC.
2． 打開AXD調(diào)試器,然后裝載armboot.bin到內(nèi)存地址為0x0.
3． 設(shè)置指針到0x0,然后運(yùn)行。
ARMBOOT 環(huán)境變量
ARMBOOT維持著一批用于各種功能的環(huán)境變量?？赏ㄟ^以下命令來顯示它們：
CPE> printenv
可通過命令“setenv name value”來設(shè)置環(huán)境變量，這里的“name”是環(huán)境變量名，“value”是你想設(shè)定的值。具體變量見表4。
表4  環(huán)境變量的描述

ARMBOOT命令之參考
在表5里，是ARMBOOT里最常用的幾個命令。也可在ARMBOOT的終端下鍵入"help"來顯示這些命令。

表5  ARMBOOT 命令集

通過ARMBOOT啟動FA526-Linux
在開發(fā)階段的許多部分里，開發(fā)人員必須要做前期規(guī)劃來修改或下載代碼直到得到想要的結(jié)果。在這樣的情況下，需要armboot來下載和運(yùn)行代碼。具體步驟如下：
1．在Linux 主機(jī)上設(shè)置tftp服務(wù)器，并設(shè)置 /etc/xinetd.d/tftp. 如圖8所示。
2. 在此狀態(tài)下使用Linux making shell (mkbootp.sh)編譯代碼，并生成Linux代碼至目錄 /tftpboot. 要運(yùn)行Linux代碼, 需按以下步驟執(zhí)行：
* 重啟 FIE8100 開發(fā)板(MediaCreative!).
* 選擇 "90) GO ARMBOOT".
* 確認(rèn)Linux-Host和FIE8100的IP地址是正確的, (printenv), 如圖9所示.
* 輸入命令：tftp 0x2000000 mbootpImage, 以下載代碼，如圖10所示.
* 通過命令“go 0x2000000“啟動Linux，將出現(xiàn)Linux 啟動的信息，如圖11所示。
Linux的使用：
在完成以上的操作后，armboot就燒入在MediaCreative!開發(fā)板上的Flash里了。要通過armboot來運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)對FIE8100平臺進(jìn)行開發(fā)驗證，可執(zhí)行以下操作：
* 開啟MediaCreative!開發(fā)板，運(yùn)行“MPEG4 Burnin",會出現(xiàn)Linux運(yùn)行選項，如圖12所示：
* 鍵入“空格”鍵，進(jìn)入Linux操作系統(tǒng)，如圖13所示。

圖9 armboot的環(huán)境設(shè)置

圖10  從armboot下載Linux代碼

圖11 Linux 啟動信息

圖12 Linux 啟動選項界面

圖13 Linux 操作環(huán)境

結(jié)語

我們利用智原科技所提供的FIE8100的開發(fā)板上移植了Linux 2.4.19的操作系統(tǒng)。智原科技的ARM CPU在開發(fā)上與ARM的開發(fā)工具兼容，使移植的過程十分順利。FIE8100的外設(shè)又很完整，不管是UART口或是乙太網(wǎng)口都能利用。我們還會利用這個開發(fā)板實現(xiàn)MPEG4編解碼，并將編碼后的壓縮檔存在SD卡上，再將SD卡上的壓縮檔解碼播放到LCD屏?！?/P>