用ZYNQ MPSoC玩DOOM

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 (來源：”帶虛擬化擴(kuò)展的 Xen ARM” 白皮書)。

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))。

doom VM 的配置文件如下所示：

# 客戶機(jī)名稱

name = “guest1”

# 要引導(dǎo)的內(nèi)核鏡像

kernel = “/boot/Image”

# 內(nèi)核命令行選項(xiàng)

extra = “console=hvc0 rdinit=/doom.sh”

# 最初存儲(chǔ)器分配 (MB)

memory = 56

# VCPUS 數(shù)量

vcpus = 1

vfb = [‘type=vnc, vnclisten=0.0.0.0’]

XEN 中的設(shè)備

為客戶機(jī)提供設(shè)備有三種常用方法：仿真、半虛擬化和直通 (圖 5)。對于設(shè)備仿真，當(dāng)客戶機(jī)向仿真設(shè)備的存儲(chǔ)器寫入時(shí)，寫入操作會(huì)觸發(fā)陷阱。陷阱通常就是頁面錯(cuò)誤。陷阱使處理器能夠切換到管理程序，以仿真設(shè)備。仿真是靈活的，但速度慢，因?yàn)橐幚硭邢葳?，而且要有人為所有需要仿真的設(shè)備編寫模型。而且，很難找到方法來加速仿真，因?yàn)閹缀鯖]有硬件加速;完全是軟件方法。

圖 5：方案、半虛擬化和直通方案的對比

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。通常有一個(gè)共享的存儲(chǔ)器區(qū)域(以及協(xié)議)，這看起來像一個(gè)設(shè)備，而且管理程序在該區(qū)域處理請求。例如，為了在 Linux 上支持半虛擬化幀緩沖器，Linux 前端驅(qū)動(dòng)會(huì)把從用戶空間獲得的幀緩沖器寫入共享存儲(chǔ)器區(qū)域;然后使用管理程序調(diào)用向管理程序發(fā)信號(hào)，以通過后端驅(qū)動(dòng)來輸出幀。客戶機(jī)只能通過半虛擬化驅(qū)動(dòng)程序與主機(jī) (Dom0)和其他客戶機(jī) (DomU) 對話。這種方案的優(yōu)勢是：用戶可以在很多客戶機(jī)之間共享設(shè)備;運(yùn)行快速;客戶機(jī)可以運(yùn)行大部分都沒修改的內(nèi)核。要求的變動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)接口下面，因此對于應(yīng)用程序以及內(nèi)核其余部分來說，前端驅(qū)動(dòng)程序看起來就像正常的網(wǎng)絡(luò)接口、磁盤或其他設(shè)備。支持客戶機(jī)通信的兩個(gè)常用協(xié)議是 Xen Bus 和 VirtIO。

在直通模式下，主機(jī)將設(shè)備”交給”一個(gè)客戶機(jī)。這意味著每次只有一個(gè)客戶機(jī)可以使用該設(shè)備。

設(shè)備性能與安全

一般來說，與通過直通方式提供的設(shè)備相比，仿真的設(shè)備性能比較低;半虛擬化方案則趨向于具備足夠性能。半虛擬化方案和仿真方案的優(yōu)勢在于管理程序可以讓設(shè)備訪問多個(gè)實(shí)體，而不會(huì)將這些實(shí)體相互暴露。

原理簡介

Doom-on-Zynq UltraScale+ MPSoC 的處理上下文環(huán)境就像洋蔥一樣有很多層(圖 6)。Cortex-A53 中是四個(gè) ARMv8 內(nèi)核。在每個(gè)內(nèi)核上，管理程序運(yùn)行在 EL2 中，客戶機(jī)(Dom0 或 DomU)運(yùn)行在 EL0/EL1 中。每個(gè) DomU 客戶機(jī)都運(yùn)行 Linux;Doom (PrBoom) 運(yùn)行在用戶空間中。Doom 使用簡單直接媒體層 (SDL)，通過 SVC 指令(最終)與幀緩沖器前端驅(qū)動(dòng)對話。幀緩沖器前端將緩沖器寫入 Dom0 建立的共享存儲(chǔ)器區(qū)域。前端驅(qū)動(dòng)通過協(xié)議(例如 Xen Bus 或 VirtIO)使用 HVC 指令(最終)與 Dom0 上運(yùn)行的虛擬化代碼通信。在 Dom0 上運(yùn)行的虛擬化代碼提供一個(gè)用于顯示的后端，然后該后端由虛擬化代碼的 VNC 服務(wù)器進(jìn)行編碼，并通過網(wǎng)絡(luò)送到 VNC 客戶端。

圖6：X86 架構(gòu)上從 PetaLinux 工具啟動(dòng) QEMU

此信息和演示能夠?yàn)楣芾沓绦虻倪M(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)提供很好的基礎(chǔ)。當(dāng)你能夠在 QEMU 上用仿真來運(yùn)行演示之后，就可使用 PetaLinux 工具在 Zynq UltraScale+ MPSoC 芯片上運(yùn)行。