基于ATmega1284P8 位 MCU 運行Linux

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

▍RAM（隨即存取存儲器）

是的，沒錯，完整的Linux安裝需要數(shù)兆字節(jié)的RAM和32位帶有MMU的CPU。本項目擁有這一切。首先，讓我們訪問RAM。正如您所看到的，在電路中有一塊古董級的30引腳SIMM內(nèi)存模塊。這些是基于80286的PC曾經(jīng)使用的。它通過接口和ATmega連接，我寫代碼來訪問它并按照規(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，占用時間1.5ms，因此占用3%以下的CPU。訪問RAM，為了便于編程，一次訪問一個字節(jié)。這樣產(chǎn)生的最大帶寬約為300KBps。

▍存儲

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

ATmega擁有一個硬件SPI模塊，但無論出于何種原因，它工作的不是十分順暢，因此我將這個接口進(jìn)行位拆裂。它仍然足夠塊——大約200KBps。這對項目來說還非常有意義——它能夠在有足夠管腳的任何微控制器上實現(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32位CPU和MMU需求。不過AVR沒有MMU，并且它是8位的。為了克服這一困難，我編寫了一款ARM仿真器。ARM是我最熟悉的架構(gòu)，并且它足夠簡單，可以讓我很舒服的為它編寫出一個仿真器。為什么要編寫一個，而不是移植一個呢？

好吧，移植別人的代碼是沒有樂趣的，再加上我看到?jīng)]有將仿真器輕松移植到8位設(shè)備上的書面資料。原因之一：AVR編譯器堅持16位處理整數(shù)將會給你帶來麻煩，如簡單的“（1<<20）”，產(chǎn)生0。你需要用“1UL<<20”。不必要的說，困擾其他人的未知基本代碼尋遍所有的地方，整數(shù)都被假定并將會失敗，這將是一個災(zāi)難。另外，我想用這個機(jī)會編寫一款很好的模塊化ARM仿真器。所以我付諸行動。

▍其他功能

電路板通過一個串行端口和真實世界進(jìn)行通信。目前，它通過串行端口連接到我PC運行的minicom上，但是它可測的替代連接是連接到電路上的一個鍵盤和一個字符LCD，可以使其完全獨立。電路板上還有兩個LED。它們指示SD卡的訪問情況。一個代表讀操作，一個代表寫操作。電路板上還有一個按鈕。當(dāng)按下并按住1秒時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（超過原有20MHz的輕微超頻）。

▍它的速度有多快？

uARM肯定沒有速率守護(hù)進(jìn)程。它花了大約2個小時啟動到BASH提示符（"init=/bin/bash"內(nèi)核命令行）。然后用4個多小時啟動整個Ubuntu（"exec init"然后登陸）。啟動X將消耗更長時間。有效的仿真CPU速度約為6.5KHz，這與你期望的在一個可憐的8位微控制器上仿真一個32位CPU和MMU是同等的水平。奇怪的是，一旦啟動，該系統(tǒng)是有些可用的。您可以輸入一個命令，并在一分鐘之內(nèi)得到答復(fù)。也就是說實際上你是可以使用它的。比如，今天我還用它來格式化我的SD卡。這絕對不是最快的，但我覺得它可能是最便宜、最慢、最簡單的手工組裝、最低的部件數(shù)量以及最低端的Linux PC。電路板是使用導(dǎo)線手工焊接的，甚至沒有使用印刷電路板（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。前一段時間，我開始進(jìn)行支持ARMv6的工作，但是一直沒有完成（從代碼中可以看出來），因為不是很需要。仿真的SoC是PXA255。

由于模塊化的設(shè)計，你可以替換SoC.c文件，并使用相同的ARMv5TE核心編譯一個完整的新的SoC，或者替換核心，或者按照意愿替換外設(shè)。這是有目的的，我的意思是這個代碼也是一個關(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CPU模擬器。這是幾年前花了超過6個月的空閑時間寫的，然后就放在一邊了。它最近復(fù)活是專門為了這個項目。仿真器實現(xiàn)了i-cache來提高速度。這給予了AVR很多幫助，使內(nèi)部存儲器能夠以超過每秒5MB的速率訪問，而不像我的外部RAM。我還沒有抽出時間去實現(xiàn)d-cache（數(shù)據(jù)緩存），但是這已經(jīng)在我的待辦事項列表上了。訪問塊設(shè)備沒有被仿真為SD設(shè)備。事實證明這太慢了。取而代之的是一個準(zhǔn)虛擬化磁盤設(shè)備（pvdisk，參見pvDisk.tar.bz2，GPL許可證），我編寫的時候使用了一個無效的操作碼來調(diào)入仿真器并訪問磁盤。我的鏡像中的ramdisk（虛擬磁盤）加載這個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)器類型”是PalmTE2。為什么？因為我非常熟悉這款硬件，它是我見到的第一款PXA255機(jī)器類型。

▍Hypercall（超級調(diào)用）？

有一些服務(wù)你可以通過使用一個特殊的操作碼向仿真器發(fā)出請求。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。超級調(diào)用號碼通過寄存器R12被傳遞，參數(shù)通過寄存器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）。請注意，這些不寫入仿真的RAM，它們使用另一個超級調(diào)用填充了仿真用戶訪問的仿真器內(nèi)部緩沖區(qū)，一次一個字。我的意思是實現(xiàn)DMA，但是還沒有抽出時間去做。

操作：

· 0 = 獲取信息（如果扇區(qū)號是0，返回扇區(qū)的數(shù)量；如果扇區(qū)號是1，以字節(jié)位單位返回扇區(qū)大?。?/p>

· 1 = 扇區(qū)讀取

· 2 = 扇區(qū)寫入

· 5 = 塊設(shè)備緩沖區(qū)訪問（R0 = 值輸入/值輸出，R1 = 字?jǐn)?shù)，R2 = 如果寫入為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Thumb指令字符串（instr）為等價的ARM指令字符串并執(zhí)行，以此代替使用ARM仿真器函數(shù)。它不像它原來一樣快，但是它簡單并且代碼小巧?？梢允褂?56KB的查找表，但是我感覺256KB對于微控制器的閃存來說太大了。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！

用于非商業(yè)目的，你肯定可以做到這一點。接線方式如下：

· 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，可以運行在每64毫秒4000個周期的CAS-before-RAS刷新頻率下。我使用的（OWC）可以花幾塊錢在網(wǎng)上買到。原理圖顯示在這里，點擊可以放大。

▍源代碼？

這個代碼有點兒亂，但是它可以工作（代碼國內(nèi)無法下載）。要在PC上建立仿真器并進(jìn)行嘗試輸入“make”。要運行使用“./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。

▍啟動過程

要在AVR中保留代碼空間，幾乎沒有啟動代碼存在于仿真器中。事實上，“ROM”總共50字節(jié)：8字節(jié)用來選擇Thumb模式，一些Thumb代碼要讀取SD卡的第一個扇區(qū)并跳到Thumb模式（參看embeddedBoot.c）。SD卡的MBR有另一個bootloader（在Thumb模式下寫入）。這個bootloader看著MBR，找到活動分區(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）。這里運行著第三個，也是最大的bootloader，ELLE（參看ELLE.c）。這個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。啟動過程會讓人回憶起PC開機(jī)。:)包含的mkbooting.sh工具可以用來制作用于啟動分區(qū)的工作鏡像。