用ZYNQ MPSoC玩DOOM

賽靈思和 DornerWorks 的系統(tǒng)軟件團(tuán)隊(duì)在賽靈思的 Zynq® Ultrascale+™ MPSoC 上啟動 Xen Project 管理程序時，我們發(fā)現(xiàn)可通過運(yùn)行當(dāng)年叱詫一時的流行電子游戲 Doom 來演示和測試系統(tǒng)。

神馬?!你不知道 DOOM??(CS 你總知道吧 -__-||)

如何針對 Zynq UltraScale+ MPSoC 通過 QEMU 在 Xen 上運(yùn)行 Doom 呢，在詳細(xì)介紹具體步驟之前，我們先來了解什么是管理程序，以及它們?nèi)绾闻c Zynq UltraScale+ MPSoC 上的處理器協(xié)同工作。

管理程序及其工作原理

管理程序是一種可虛擬化處理器的計(jì)算機(jī)程序。運(yùn)行在虛擬化處理器上的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)似乎完全擁有系統(tǒng)，但事實(shí)上管理程序負(fù)責(zé)管理虛擬處理器對物理機(jī)資源(例如存儲器和處理內(nèi)核)的訪問。管理程序之所以流行，是因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分區(qū)以及系統(tǒng)上運(yùn)行的獨(dú)立軟件元素之間的隔離。

為了支持虛擬化，物理處理器必須提供一個供管理程序運(yùn)行的特殊”模式”。因此，介紹處理器模式有助于理解管理程序如何完成處理器魔法。

所有處理器都有一些指令，這些指令可操作寄存器中存儲的值，并可讀寫存儲器。處理器的模式是指令和寄存器的集合，以及利用指令訪問寄存器和存儲器時要遵守的規(guī)則。為了便于解釋，我們以通用處理器為例來介紹，并使用與結(jié)構(gòu)無關(guān)的術(shù)語。在這個實(shí)例中，處理器具有特定的寄存器、指令和模式。寄存器包括 RegisterA、RegisterB、RegisterC、UserProgramCounter、Register-Super 和 SuperProgramCounter。指令包括以下內(nèi)容。

· ADD Register3 Register1 Register2 將 Register1 與 Register2 相加，并把結(jié)果存入 Register3，即 Register3 = Register1 + Register2。

· MOVTO Register2 Register1 將 Register1 中地址所指向的存儲器內(nèi)容移動到 Register2。

· MOVFROM Register2 Register1 將 Register1 的內(nèi)容移動到 Register2 中地址所指向的存儲器。

· ENTERSUPER 進(jìn)入處理器的 SUPER 模式。

· EXITSUPER 退出 SUPER 模式并進(jìn)入 USER 模式。

在 USER 模式下，處理器的指令的功能受到限制。本例中，指令可對除 RegisterSuper 和 SuperProgramCounter 以外的所有寄存器進(jìn)行讀和寫操作，處理器可執(zhí)行除 EXITSUPER 以外的所有指令。

此外，在 USER 模式下，所有指令只能讀和寫一部分存儲器，例如從地址 0x0000_0100 到 0x0FFF_FFFF。在 USER 模式下，如果程序嘗試執(zhí)行不應(yīng)該執(zhí)行的指令，或者訪問無權(quán)訪問的寄存器或存儲器位置，那么處理器將暫停出錯指令 (offending instruction)。

SUPER 模式下，處理器的指令可以讀/寫上述所有寄存器，包括 RegisterSuper 和 SuperProgramCounter。以上所列的所有指令，包括 EXITSUPER，都可以執(zhí)行，另外，附加的指令 ENTERHYPER 也可執(zhí)行(后面詳細(xì)介紹該指令)。此外，在 SUPER 模式下，指令可以訪問系統(tǒng)中的全部存儲器(從 0x0000_0000 到 0x7FFF_ FFFF)。

采用帶模式的處理器，使我們可以利用設(shè)計(jì)分區(qū)來更簡單地解決軟件工程設(shè)計(jì)問題。以上實(shí)例中，只有一種方法進(jìn)入 SUPER 模式：執(zhí)行 ENTERSUPER 指令。同樣，只有一種方法退出 SUPER 模式：執(zhí)行 EXITSUPER。此外，在 USER 模式下程序只能訪問機(jī)器的部分存儲器。有了這種方案，我們可編寫一個程序讓處理器同時運(yùn)行多個 USER 模式程序。這個”操作系統(tǒng)”(OS) 程序運(yùn)行在 SUPER 模式，并管理在 USER 模式中運(yùn)行的程序。

當(dāng) OS 運(yùn)行時，會查看需要運(yùn)行的所有 USER 模式程序，選擇一個運(yùn)行，然后使用 EXITSUPER 這樣的指令通知處理器切換到 USER 模式以運(yùn)行程序。所選的程序會一直運(yùn)行，直到有事件導(dǎo)致處理器切回 SUPER 模式。這類事件可以是來自 USER 模式程序的 ENTERSUPER 指令，或外部事件，例如定時器，它可以不提醒正在 USER 模式下運(yùn)行的程序?qū)⑻幚砥髑袚Q到 SUPER 模式。無論切換如何發(fā)生，每當(dāng)事件發(fā)生時，我們都可構(gòu)建 OS 以根據(jù)相應(yīng)策略相繼選擇和運(yùn)行程序。當(dāng)切換快速進(jìn)行時，用戶認(rèn)為 USER 程序同時運(yùn)行。

USER HYPER 模式的用處是讓很多 SUPER 程序運(yùn)行。SUPER 模式下的每個程序都可以是 OS;這些 OS 本身會讓很多 USER 程序并行運(yùn)行。

SUPER 處理器模式還能防止 USER 程序干擾運(yùn)行在 SUPER 模式的程序或其他 USER 模式程序。USER 模式程序的任何錯誤或違規(guī)都可被控制在該程序自身的實(shí)例中，不會破壞或干擾為 SUPER 模式操作保留的系統(tǒng)存儲器和寄存器。

聽起來很好，但能否用另一個模式實(shí)現(xiàn)一些功能?

對我們的機(jī)器稍加擴(kuò)展，就可以引入 HYPER 模式。HYPER 模式可以讀/寫所有初始寄存器(RegisterA、RegisterB、RegisterC、UserProgramCounter、RegisterSuper 和 SuperProgramCounter)以及兩個附加寄存器：RegisterHyper 和 HyperProgramCounter。HYPER 模式下的指令包括初始集以及下面的斜體字。

ADD Register3 Register1 Register2 將 Register1 與 Register2 相加并把結(jié)果放在 Register3 中，即 Register3 = Register1 + Register2。

· MOVTO Register2 Register1 將 Register1 中地址所指向的存儲器內(nèi)容移到 Register2。

· MOVFROM Register2 Register1 將 Register1 的內(nèi)容移到 Register2 中地址所指向的存儲器。

· MOVTOPHYS Register2 Register1 將 Register1 中物理地址指向的存儲器內(nèi)容移到 Register2。

· MOVFROMPHYS Register2 Register1 將 Register1 的內(nèi)容移到 Register2 中地址指向的物理存儲器。

· ENTERSUPER 進(jìn)入處理器的 SUPER 模式。

· EXITSUPER 退出 SUPER 模式并進(jìn)入 USER 模式。

· ENTERHYPER 進(jìn)入處理器的 HYPER 模式。

· EXITHYPER 退出處理器的 HYPER 模式。

· SWITCHSUPER RegisterHyper 切換到 SUPER 程序，該程序?qū)⑹褂?RegisterHyper 中的值來執(zhí)行下一個 SUPER 程序。

HYPER 模式中的附加指令和寄存器允許處理器切換哪個程序在 SUPER 模式中運(yùn)行，就像 SUPER 模式允許處理器切換哪個程序在 USER 模式中運(yùn)行一樣。HYPER 模式的一個特性是能夠切換哪個存儲器 SUPER 模式能看到;當(dāng)一個在 HYPER 模式中運(yùn)行的程序執(zhí)行 SWITCHSUPER RegisterHyper 時，底層存儲器完全斷開。這就是說當(dāng) HYPER 模式中的程序執(zhí)行了 EXITHYPER 之后，下個 SUPER 程序運(yùn)行之時，SUPER 模式看到的實(shí)際物理存儲器與運(yùn)行在 SUPER 模式中的另一個程序使用的物理存儲器不同。SUPER 模式程序仍使用相同地址訪問存儲器，但是該地址指向不同的物理位置。圖 1 顯示了執(zhí)行 SWITCHSUPER RegisterHyper 前后的處理器存儲器視圖。

HYPER 模式很有用，是因?yàn)樗试S很多個 SUPER 程序運(yùn)行。SUPER 模式中每個程序都可以是 OS;這些 OS 本身可以讓很多 USER 程序并列運(yùn)行.這意味著，我們可以在相同硬件上運(yùn)行多個 OS，例如 Windows 和 Linux;在一個處理器上運(yùn)行 20 個 Linux 實(shí)例;或者之間的任意組合。由于每個虛擬 OS 實(shí)例無法看到另一個 OS 實(shí)例，因此如果一個崩潰，不會使另一個實(shí)例也崩潰。HYPER 模式的特性還有其他應(yīng)用：我們可以在多個 OS 之間對系統(tǒng)資源分區(qū);監(jiān)測 HYPER 模式下每個 OS 的執(zhí)行，以在崩潰時重啟;以及在虛擬 OS 運(yùn)行時密切關(guān)注系統(tǒng)狀態(tài)。

圖 1：HYPER 模式下執(zhí)行 SWITCHSUPER RegisterHyper 的前后區(qū)別

隨著處理器從 USER 切換到 SUPER 模式，再從 SUPER 切換到 HYPER 模式，機(jī)器會賦予執(zhí)行代碼更多特權(quán)。本例中，USER 模式程序只有權(quán)使用四個寄存器(RegisterA、RegisterB、RegisterC 和 UserProgramCounter)和四個指令：(ADD、MOVTO、MOVFROM和ENTER-SUPER)。此外，USER 程序只能讀寫 0x0000_0100 至 0x0FFF_ FFFF 的存儲器。一旦進(jìn)入 SUPER 模式，處理器允許指令與 RegisterSuper 和 SuperProgramCounter 對話，并允許執(zhí)行 EXITSUPER 和 ENTERHYPER。此外，SUPER 程序可以訪問從 0x0000_0000 至 0x7FFF_FFFF 的存儲器。

最后，一旦處理器進(jìn)入 HYPER 模式，其指令就可以操作 RegisterHyper 和 HyperProgramCounter，而且程序可執(zhí)行 SWITCH-SUPER 和 EXITHYPER。

圖 2：各種模式如環(huán)形所示

HYPER 模式還允許處理器讀寫所有虛擬存儲器，0x0000_0000 至 0xFFFF_FFFF，以及讀寫實(shí)際物理存儲器。這些特權(quán)等級通常被直觀地用環(huán)形來描述(圖 2)。主環(huán)，即 HYPER 環(huán)為特權(quán)等級較低的環(huán)賦予權(quán)限，最終可控制整個系統(tǒng)。

理論結(jié)合實(shí)踐

ARM® 創(chuàng)建處理器設(shè)計(jì)，供 ARM 合作伙伴構(gòu)建芯片用。ARM 處理器包含一個或多個內(nèi)核。每個內(nèi)核實(shí)現(xiàn)一個 ARM 架構(gòu)。例如，Zynq UltraScale+ MPSoC 包含一個 ARM Cortex™-A53 處理器及四個 ARMv8-A 物理內(nèi)核(圖 3)。

當(dāng)查看 ARM 處理器的文檔和代碼時，這種區(qū)別很重要;為了全面理解具有一個 ARM 內(nèi)核的”芯片”，可參考有關(guān)架構(gòu) (如 ARMv8-A) 和處理器 (如 Cortex-A53) 的文檔。ARMv8 架構(gòu)中有四個例外等級 (來源：ARM 架構(gòu)參考手冊，D1-1404)：

1、例外等級 0 (EL0)，無需特權(quán)即可執(zhí)行;

2、例外等級 1 (EL1)，執(zhí)行 OS 以及任何執(zhí)行特權(quán)指令的內(nèi)容;

3、例外等級 2 (EL2)，允許硬件被虛擬化;以及

4、例外等級 3 (EL3)，允許在安全與非安全處理器狀態(tài)之間切換。

以下程序通常在這些模式下運(yùn)行，如ARM 架構(gòu)參考手冊 (D1–1404)中所述：EL0，應(yīng)用程序;EL1，OS 內(nèi)核以及通常所描述的相關(guān)特權(quán)函數(shù);EL2，管理程序;EL3，安全監(jiān)控器。我們的理論實(shí)例直接對應(yīng) ARMv8 執(zhí)行模式 EL0 至 EL2：USER 對應(yīng) EL0，SUPER 對應(yīng) EL1，HYPER 對應(yīng) EL2。ARM 添加第四個特權(quán)等級，即 EL3;利用這個特權(quán)等級，我們可在安全與非安全環(huán)境之間切換 EL0 和 EL1。盡管 EL3 的使用是一個很重要的論題，能夠?yàn)榧軜?gòu)增加大量的功能，但是在本實(shí)例中我們將其忽略，并著重介紹 EL0-EL2(利用管理程序的虛擬化)。如果對計(jì)算機(jī)如何保護(hù)金融交易感興趣，可以參閱 ARMv8 EL3 文檔(免費(fèi)提供，需注冊)。這是非常好的參考文檔，從中可以獲得極為詳細(xì)的介紹。

圖 3：Zynq UltraScale+ MPSoC 架構(gòu)

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，才能改變執(zhí)行所處的例外等級。在接到例外時，例外等級只能升高或保持不變;在從例外返回時，例外等級只能降低或保持不變。只有三個指令能生成針對下個例外等級的例外：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，允許每個例外等級有 216 個系統(tǒng)調(diào)用。這些指令針對下個例外等級，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 請求存儲器時，這個用戶空間程序的 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 請求一個指向可用存儲器的指針。在 ARMv8-A 架構(gòu)中的 Linux 上，這個過程在幕后轉(zhuǎn)化為 SVC 系統(tǒng)調(diào)用。該系統(tǒng)調(diào)用會把處理器轉(zhuǎn)換為 EL1，從而將控制權(quán)送回 OS，后者會解讀調(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器區(qū)域的指針，或者是一個錯誤，用以指出沒有可用存儲器。

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)行演示所需的每個組件，如何運(yùn)行以及以什么順序運(yùn)行每個組件，以及如何與演示交互。成功完成該演示之后，你會獲得一個環(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： www.wiki.xil- 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，同時使用 PetaLinux 創(chuàng)建 rootFS 的剩余部分并引導(dǎo)演示。

Buildroot

Buildroot 是一個簡單的構(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。這里我們會穿插使用 PrBoom 和 Doom 這兩個術(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(外加幾個變量)用于啟動在 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，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 terminal;你可在以下網(wǎng)址中找到全部所需文件： www.wiki.xilinx.com/Doom+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

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