Linux是否能在 8 位 MCU 上運(yùn)行？

時(shí)間：2020-04-24 16:04:15

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[導(dǎo)讀]我們經(jīng)常可以看到初學(xué)者在單片機(jī)論壇中詢(xún)問(wèn)他們是否可以在他們微不足道的小的8位微機(jī)中運(yùn)行Linux。這些問(wèn)題的結(jié)果通常是帶來(lái)笑聲。我們也經(jīng)?？吹?，在Linux論壇中，詢(xún)問(wèn)Linux運(yùn)行的最低要求是什么。常見(jiàn)的答案是Linux需要一個(gè)32位架構(gòu)和一個(gè)MMU（存儲(chǔ)器管理單

Linux是否能在 8 位 MCU 上運(yùn)行？

我們經(jīng)?？梢钥吹匠鯇W(xué)者在單片機(jī)論壇中詢(xún)問(wèn)他們是否可以在他們微不足道的小的8位微機(jī)中運(yùn)行Linux。這些問(wèn)題的結(jié)果通常是帶來(lái)笑聲。我們也經(jīng)?？吹?，在Linux論壇中，詢(xún)問(wèn)Linux運(yùn)行的最低要求是什么。常見(jiàn)的答案是Linux需要一個(gè)32位架構(gòu)和一個(gè)MMU（存儲(chǔ)器管理單元），并至少1MB的RAM來(lái)滿(mǎn)足內(nèi)核的需求。

本項(xiàng)目旨在（并且成功）粉碎這些概念。下圖中您所看到的開(kāi)發(fā)板基于ATmega1284P。我（歪果仁）還制作了一塊基于ATmega644a的開(kāi)發(fā)板，也同樣獲得了成功。該開(kāi)發(fā)板沒(méi)有使用其他處理器，啟動(dòng)Linux 2.6.34內(nèi)核。事實(shí)上，它甚至可以運(yùn)行一個(gè)完整的Ubuntu棧，包括X（如果你有時(shí)間等它啟動(dòng)）和gnome。

▍RAM（隨即存取存儲(chǔ)器）

是的，沒(méi)錯(cuò)，完整的Linux安裝需要數(shù)兆字節(jié)的RAM和32位帶有MMU的CPU。本項(xiàng)目擁有這一切。首先，讓我們?cè)L問(wèn)RAM。正如您所看到的，在電路中有一塊古董級(jí)的30引腳SIMM內(nèi)存模塊。這些是基于80286的PC曾經(jīng)使用的。它通過(guò)接口和ATmega連接，我寫(xiě)代碼來(lái)訪問(wèn)它并按照規(guī)格刷新它（SDRAM需要恒定速率刷新以避免丟失數(shù)據(jù)）。

它到底有多快呢？刷新中斷每62ms發(fā)生一次，占用時(shí)間1.5ms，因此占用3%以下的CPU。訪問(wèn)RAM，為了便于編程，一次訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)。這樣產(chǎn)生的最大帶寬約為300KBps。

▍存儲(chǔ)

對(duì)于RAM需要工作在休眠狀態(tài)，我們有兩件事要處理。存儲(chǔ)并不是太難解決的問(wèn)題。使用SPI可以十分容易的與SD卡交互，我的項(xiàng)目中做到了這一點(diǎn)。一個(gè)1GB的SD卡可以工作的很好，雖然512MB就已經(jīng)滿(mǎn)足這一特殊的文件系統(tǒng)（Ubuntu Jaunty）。

ATmega擁有一個(gè)硬件SPI模塊，但無(wú)論出于何種原因，它工作的不是十分順暢，因此我將這個(gè)接口進(jìn)行位拆裂。它仍然足夠塊——大約200KBps。這對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)還非常有意義——它能夠在有足夠管腳的任何微控制器上實(shí)現(xiàn)，而不用使用其他硬件模塊。

▍CPU（中央處理單元）

所有剩下的就是那個(gè)32位CPU和MMU需求。不過(guò)AVR沒(méi)有MMU，并且它是8位的。為了克服這一困難，我編寫(xiě)了一款A(yù)RM仿真器。ARM是我最熟悉的架構(gòu)，并且它足夠簡(jiǎn)單，可以讓我很舒服的為它編寫(xiě)出一個(gè)仿真器。為什么要編寫(xiě)一個(gè)，而不是移植一個(gè)呢？

好吧，移植別人的代碼是沒(méi)有樂(lè)趣的，再加上我看到?jīng)]有將仿真器輕松移植到8位設(shè)備上的書(shū)面資料。原因之一：AVR編譯器堅(jiān)持16位處理整數(shù)將會(huì)給你帶來(lái)麻煩，如簡(jiǎn)單的“（1<<20）”，產(chǎn)生0。你需要用“1UL<<20”。不必要的說(shuō)，困擾其他人的未知基本代碼尋遍所有的地方，整數(shù)都被假定并將會(huì)失敗，這將是一個(gè)災(zāi)難。另外，我想用這個(gè)機(jī)會(huì)編寫(xiě)一款很好的模塊化ARM仿真器。所以我付諸行動(dòng)。

▍其他功能

電路板通過(guò)一個(gè)串行端口和真實(shí)世界進(jìn)行通信。目前，它通過(guò)串行端口連接到我PC運(yùn)行的minicom上，但是它可測(cè)的替代連接是連接到電路上的一個(gè)鍵盤(pán)和一個(gè)字符LCD，可以使其完全獨(dú)立。電路板上還有兩個(gè)LED。它們指示SD卡的訪問(wèn)情況。一個(gè)代表讀操作，一個(gè)代表寫(xiě)操作。電路板上還有一個(gè)按鈕。當(dāng)按下并按住1秒時(shí)它將使串行端口脫離仿真的CPU的當(dāng)前有效速度。AVR的主頻是24MHz（超過(guò)原有20MHz的輕微超頻）。

▍它的速度有多快？

uARM肯定沒(méi)有速率守護(hù)進(jìn)程。它花了大約2個(gè)小時(shí)啟動(dòng)到BASH提示符（"init=/bin/bash"內(nèi)核命令行）。然后用4個(gè)多小時(shí)啟動(dòng)整個(gè)Ubuntu（"exec init"然后登陸）。啟動(dòng)X將消耗更長(zhǎng)時(shí)間。有效的仿真CPU速度約為6.5KHz，這與你期望的在一個(gè)可憐的8位微控制器上仿真一個(gè)32位CPU和MMU是同等的水平。奇怪的是，一旦啟動(dòng)，該系統(tǒng)是有些可用的。您可以輸入一個(gè)命令，并在一分鐘之內(nèi)得到答復(fù)。也就是說(shuō)實(shí)際上你是可以使用它的。比如，今天我還用它來(lái)格式化我的SD卡。這絕對(duì)不是最快的，但我覺(jué)得它可能是最便宜、最慢、最簡(jiǎn)單的手工組裝、最低的部件數(shù)量以及最低端的Linux PC。電路板是使用導(dǎo)線(xiàn)手工焊接的，甚至沒(méi)有使用印刷電路板（PCB）的必要。

▍仿真器的細(xì)節(jié)？

仿真器是相當(dāng)模塊化的，允許它隨意擴(kuò)展仿真其他SoC（片上系統(tǒng)）和硬件配置。仿真的CPU是ARMv5TE。前一段時(shí)間，我開(kāi)始進(jìn)行支持ARMv6的工作，但是一直沒(méi)有完成（從代碼中可以看出來(lái)），因?yàn)椴皇呛苄枰?。仿真的SoC是PXA255。

由于模塊化的設(shè)計(jì)，你可以替換SoC.c文件，并使用相同的ARMv5TE核心編譯一個(gè)完整的新的SoC，或者替換核心，或者按照意愿替換外設(shè)。這是有目的的，我的意思是這個(gè)代碼也是一個(gè)關(guān)于ARM SoC如何工作的相當(dāng)整潔的范例。CPU仿真器自身的代碼并不是太整潔，那么，好吧，它是一個(gè)CPU模擬器。這是幾年前花了超過(guò)6個(gè)月的空閑時(shí)間寫(xiě)的，然后就放在一邊了。它最近復(fù)活是專(zhuān)門(mén)為了這個(gè)項(xiàng)目。仿真器實(shí)現(xiàn)了i-cache來(lái)提高速度。這給予了AVR很多幫助，使內(nèi)部存儲(chǔ)器能夠以超過(guò)每秒5MB的速率訪問(wèn)，而不像我的外部RAM。我還沒(méi)有抽出時(shí)間去實(shí)現(xiàn)d-cache（數(shù)據(jù)緩存），但是這已經(jīng)在我的待辦事項(xiàng)列表上了。訪問(wèn)塊設(shè)備沒(méi)有被仿真為SD設(shè)備。事實(shí)證明這太慢了。取而代之的是一個(gè)準(zhǔn)虛擬化磁盤(pán)設(shè)備（pvdisk，參見(jiàn)pvDisk.tar.bz2，GPL許可證），我編寫(xiě)的時(shí)候使用了一個(gè)無(wú)效的操作碼來(lái)調(diào)入仿真器并訪問(wèn)磁盤(pán)。我的鏡像中的ramdisk（虛擬磁盤(pán)）加載這個(gè)pvdisk，然后改變根目錄到/dev/pvd1。

ramdisk被包含在了“rd.img”中。我使用的“機(jī)器類(lèi)型”是PalmTE2。為什么？因?yàn)槲曳浅Ｊ煜み@款硬件，它是我見(jiàn)到的第一款PXA255機(jī)器類(lèi)型。

▍Hypercall（超級(jí)調(diào)用）？

有一些服務(wù)你可以通過(guò)使用一個(gè)特殊的操作碼向仿真器發(fā)出請(qǐng)求。在ARM中它是0xF7BBBBBB，在Thumb中它是0xBBBB。挑選這些是由于它們所在的范圍ARM保證是未定義的。超級(jí)調(diào)用號(hào)碼通過(guò)寄存器R12被傳遞，參數(shù)通過(guò)寄存器R0-R3被傳遞，返回值被放置在R0中。

調(diào)用：

· 0 = 停止仿真

· 1 = 打印十進(jìn)制數(shù)

· 2 = 打印字符

· 3 = 獲取RAM大小

· 4 = 塊設(shè)備操作（R0 = 操作，R1 = 扇區(qū)(sector)號(hào)）。請(qǐng)注意，這些不寫(xiě)入仿真的RAM，它們使用另一個(gè)超級(jí)調(diào)用填充了仿真用戶(hù)訪問(wèn)的仿真器內(nèi)部緩沖區(qū)，一次一個(gè)字。我的意思是實(shí)現(xiàn)DMA，但是還沒(méi)有抽出時(shí)間去做。

操作：

· 0 = 獲取信息（如果扇區(qū)號(hào)是0，返回扇區(qū)的數(shù)量；如果扇區(qū)號(hào)是1，以字節(jié)位單位返回扇區(qū)大小）
· 1 = 扇區(qū)讀取
· 2 = 扇區(qū)寫(xiě)入

· 5 = 塊設(shè)備緩沖區(qū)訪問(wèn)（R0 = 值輸入/值輸出，R1 = 字?jǐn)?shù)，R2 = 如果寫(xiě)入為1，其他情況為0）

▍Thumb支持？

完全支持Thumb。我欺騙了一下，解碼每個(gè)Thumb指令字符串（instr）為等價(jià)的ARM指令字符串并執(zhí)行，以此代替使用ARM仿真器函數(shù)。它不像它原來(lái)一樣快，但是它簡(jiǎn)單并且代碼小巧?？梢允褂?56KB的查找表，但是我感覺(jué)256KB對(duì)于微控制器的閃存來(lái)說(shuō)太大了。一些Thumb指令不能被轉(zhuǎn)換為ARM指令，它們被正確處理代替。

我想要建立一個(gè)！

用于非商業(yè)目的，你肯定可以做到這一點(diǎn)。接線(xiàn)方式如下：

· RAM的DQ0-DQ7連接AVR的C0-C7；

· RAM的A0-A7連接AVR的A0-A7；

· RAM的A8-A11連接AVR的B0-B3；

· RAM的nRAM nRAS nCAS nWE連接AVR的D7 B4 B5；

· SD的DI SCK DO連接AVR的B6 B7 D6；

· LED的read write連接AVR的D2 D3（LED的其他管腳接地）；

· 按鈕連接AVR的D4（其他管腳接地）。

RAM可以是任何30引腳的16MB的SIMM，可以運(yùn)行在每64毫秒4000個(gè)周期的CAS-before-RAS刷新頻率下。我使用的（OWC）可以花幾塊錢(qián)在網(wǎng)上買(mǎi)到。原理圖顯示在這里，點(diǎn)擊可以放大。

▍源代碼？

這個(gè)代碼有點(diǎn)兒亂，但是它可以工作（代碼國(guó)內(nèi)無(wú)法下載）。要在PC上建立仿真器并進(jìn)行嘗試輸入“make”。要運(yùn)行使用“./uARM DISK_IMAGE”。要建立優(yōu)化的PC版本使用“make BUILD=opt”。要建立AVR運(yùn)行的版本使用“make BUILD=avr”?，F(xiàn)在，它的編譯目標(biāo)是ATmega1284P。要以ATmega644為編譯目標(biāo)，除了要修改makefile，減少icache.h中的數(shù)字以便于i-cache足夠小來(lái)配合644內(nèi)部的RAM。在歸檔文件中還包括用于1284p最終的hex文件。

▍啟動(dòng)過(guò)程

要在AVR中保留代碼空間，幾乎沒(méi)有啟動(dòng)代碼存在于仿真器中。事實(shí)上，“ROM”總共50字節(jié)：8字節(jié)用來(lái)選擇Thumb模式，一些Thumb代碼要讀取SD卡的第一個(gè)扇區(qū)并跳到Thumb模式（參看embeddedBoot.c）。SD卡的MBR有另一個(gè)bootloader（在Thumb模式下寫(xiě)入）。這個(gè)bootloader看著MBR，找到活動(dòng)分區(qū)并加載它的內(nèi)容到RAM的末尾。然后，它跳到目的RAM地址+512（參看mbrBoot.c）。這里運(yùn)行著第三個(gè)，也是最大的bootloader，ELLE（參看ELLE.c）。這個(gè)bootloader重新定位了ramdisk，建立ATAGS，并調(diào)用內(nèi)核。我提供了所有的二進(jìn)制文件和源代碼以便于大家能夠按照意愿制作您自己鏡像。啟動(dòng)過(guò)程會(huì)讓人回憶起PC開(kāi)機(jī)。:)包含的mkbooting.sh工具可以用來(lái)制作用于啟動(dòng)分區(qū)的工作鏡像。

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