一 前言

什么是Circle？

Circle是一個(gè)叫rsta2的大佬用C++寫(xiě)的bare-metal的樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)框架，同時(shí)支持現(xiàn)存的幾乎所有版本樹(shù)莓派，能夠驅(qū)動(dòng)樹(shù)莓派上的大部分設(shè)備，包SD卡控制器、有線和無(wú)線網(wǎng)卡、GPIO、USB控制器及一些常用USB設(shè)備等。

這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)中有一些是rsta2參考Linux或其它bare-metal的實(shí)現(xiàn)自己寫(xiě)的，還有一些是他直接從其它系統(tǒng)移植過(guò)來(lái)的。各驅(qū)動(dòng)對(duì)外封裝成了C++類(lèi)的形式，可以按需對(duì)其實(shí)例化和使用。對(duì)于在樹(shù)莓派上編寫(xiě)自制操作系統(tǒng)并且希望盡快驅(qū)動(dòng)一些設(shè)備的場(chǎng)景，將Circle整個(gè)移植過(guò)來(lái)是非常值得考慮的選項(xiàng)。當(dāng)然，需要注意的是，Circle的開(kāi)源協(xié)議是GPLv3，具有傳染性，應(yīng)該把它作為系統(tǒng)的非必要組件來(lái)使用。

本文干了什么？

本文將簡(jiǎn)要記述將Circle驅(qū)動(dòng)框架移植到一個(gè)自制微內(nèi)核操作系統(tǒng)（實(shí)際上是實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目），作為用戶(hù)態(tài)驅(qū)動(dòng)進(jìn)程的過(guò)程。

由于只是簡(jiǎn)要地記錄移植過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本文不會(huì)深入到每一個(gè)具體的細(xì)節(jié)，如果你恰好有相似的需求，除了參考本文，還需要具體地去研究Circle的代碼，并根據(jù)具體情況具體分析。

二 確定需求

首先一開(kāi)始不要盲目移植，先確定一下自己需要Circle中的哪些設(shè)備驅(qū)動(dòng)，比如說(shuō)，如果你只是需要USB相關(guān)驅(qū)動(dòng)，那么在移植過(guò)程中可以不關(guān)心WLAN那塊是否有不兼容。

然后跑一些Circle提供的sample，確定Circle確實(shí)可以滿(mǎn)足需求。

三 移植基本部分

這部分包括一些非常必要的組件，比如mailbox訪問(wèn)，許多驅(qū)動(dòng)都需要通過(guò)mailbox獲取信息或申請(qǐng)資源等。這部分移植完成后，將可以在啟動(dòng)時(shí)獲取機(jī)器信息，并點(diǎn)亮LED燈。

具體地，主要需要做下面這些事情：

1.修改Rules.mk和Makefile，去掉任何boot相關(guān)的代碼。

2.重新實(shí)現(xiàn)一些模塊，去除需要特權(quán)指令的地方，并使用用戶(hù)態(tài)lib提供的功能代替：

assert：assert失敗后不要真的關(guān)機(jī)或重啟，可以exit；

interrupt：一開(kāi)始可簡(jiǎn)單打印點(diǎn)內(nèi)容，不用真的實(shí)現(xiàn)；

logger：改為printf輸出；

new：使用malloc分配；

sysinit：提供假實(shí)現(xiàn)；

timer：使用nanosleep實(shí)現(xiàn)SimpleusDelay；

memory：CMemorySystem類(lèi)可以直接去掉，一開(kāi)始會(huì)有地方用到CMemorySystem::GetCoherentPage；

改用系統(tǒng)提供的分配物理上連續(xù)的non-cacheable內(nèi)存的接口。

3.Circle進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)將物理地址的外設(shè)區(qū)域直接對(duì)等映射到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間，這樣將不需要改動(dòng)Circle中通過(guò)MMIO訪問(wèn)外設(shè)時(shí)使用的地址。

經(jīng)過(guò)一些調(diào)試后，可以點(diǎn)亮LED燈，輸出日志到stdout，然后退出（需要編寫(xiě)適當(dāng)?shù)?strong>kernel.cpp，可參考sample），這意味著簡(jiǎn)單的MMIO已經(jīng)可以了。

四 驅(qū)動(dòng)屏幕

這一步同樣需要重新實(shí)現(xiàn)一些模塊：

synchronize：主要是刷cache相關(guān)操作；

bcmframebuffer：向GPU申請(qǐng)frame buffer后需要將其映射到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址。

經(jīng)過(guò)一些調(diào)試后，可以通過(guò)HDMI輸出內(nèi)容到屏幕。

五 模擬實(shí)現(xiàn)Timer

對(duì)于一些稍復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)，例如USB和WLAN，會(huì)依賴(lài)timer獲取當(dāng)前tick，因此需要重新實(shí)現(xiàn)timer模塊。

具體地，可以在CTimer::Initialize中創(chuàng)建一個(gè)新的線程，每隔10ms（利用nanosleep等函數(shù)）調(diào)用一次CTimer::InterruptHandler，其它代碼幾乎不用改動(dòng)。此外，還需要實(shí)現(xiàn)CTimer::GetClockTicks以獲得當(dāng)前 tick數(shù)。

經(jīng)過(guò)一些調(diào)試后，輸出的日志中能夠包含當(dāng)前時(shí)間，此時(shí)說(shuō)明timer基本實(shí)現(xiàn)對(duì)了。

六 解決內(nèi)存相關(guān)的一系列問(wèn)題

許多驅(qū)動(dòng)在運(yùn)行的過(guò)程中需要分配內(nèi)存以供外設(shè)進(jìn)行DMA，同時(shí)又需要在進(jìn)程內(nèi)訪問(wèn)這塊內(nèi)存以讀寫(xiě)跟外設(shè)交互的數(shù)據(jù)。因此，這塊內(nèi)存既需要能通過(guò)虛擬地址訪問(wèn)，又需要能獲取到物理地址，同時(shí)在物理地址上連續(xù)且non-cacheable。malloc是不能滿(mǎn)足這個(gè)需求的，因?yàn)?strong>malloc只保證分配出的內(nèi)存虛擬地址連續(xù)，不能保證物理地址連續(xù)，也無(wú)法配置成non-cacheable。

要解決這個(gè)問(wèn)題，需要內(nèi)核提供分配物理上連續(xù)且non-cacheable的內(nèi)存并映射到虛擬地址空間的相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用，然后再在Circle中利用這些系統(tǒng)調(diào)用重新實(shí)現(xiàn)內(nèi)存相關(guān)模塊。其實(shí)在前面已經(jīng)粗略地實(shí)現(xiàn)了，但在這一步需要確保實(shí)現(xiàn)的正確性。對(duì)Circle的修改主要涉及CMemorySystem::GetCoherentPage、DMA_BUFFER、BUS_ADDRESS、new(HEAP_DMA)的定義及使用它們的地方。

七 用戶(hù)態(tài)處理中斷

對(duì)于像USB和WLAN這些需要利用中斷通知操作系統(tǒng)發(fā)生了特定事件的設(shè)備，還需要把之前虛假實(shí)現(xiàn)的interrupt模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)。

首先要求內(nèi)核提供讓特定用戶(hù)態(tài)進(jìn)程處理特定IRQ的能力，具體來(lái)說(shuō)就是驅(qū)動(dòng)進(jìn)程要能夠通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用注冊(cè)一個(gè)函數(shù)作為特定編號(hào)的IRQ的用戶(hù)態(tài)處理函數(shù)，然后內(nèi)核在收到IRQ后調(diào)用此函數(shù)來(lái)處理。

接著重新實(shí)現(xiàn)interrupt模塊，把CInterruptSystem::ConnectIRQ改為使用上述注冊(cè)IRQ處理函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用，暫時(shí)用不到的函數(shù)可以不實(shí)現(xiàn)，比如與FIQ相關(guān)的。

八驅(qū)動(dòng)USB

Timer、DMA buffer、中斷這幾個(gè)重要的部分移植完成后，比較容易就可以驅(qū)動(dòng)USB控制器，進(jìn)而可以檢測(cè)并驅(qū)動(dòng)USB鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、存儲(chǔ)、串口轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，對(duì)于樹(shù)莓派3，還可以驅(qū)動(dòng)有線網(wǎng)卡（LAN7800）。

九其它驅(qū)動(dòng)

到目前為止已經(jīng)移植了大部分驅(qū)動(dòng)所需的運(yùn)行環(huán)境，之后的移植工作主要看具體的需求了，比如如果需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，還要重新實(shí)現(xiàn)sched模塊，里面包括線程抽象、調(diào)度、線程同步機(jī)制等。

審核編輯：劉清