- 開發環境與程序
- Boot loader
- 調試環境
- 移植Linux至晶心平臺關鍵點經驗傳承
鑒于越來越多使用者將Linux移植到晶心平臺(Andes Embedded™)上(AndesCore™ N12或N10)，本文的目的在協助使用者快速、有效率的將Linux 移植到自建的FPGA板子上(CPU是AndesCore™ 的 N12或N10)。筆者曾協助多家公司工程師進行Linux移植到晶心平臺的工作，將Linux移植過程容易遭遇的問題與盲點進行實際說明，期望能對使用者有所幫助，也希望讀者不吝指教提供您寶貴的意見。
在進行Linux移植時會發現，使用者的晶心平臺可能會有各式各樣的組合，除了CPU是使用N12或N10外，使用者對于其他的周邊(如RAM，ROM，Timer…..)之搭配各有所好，為了有系統性說明Linux移植的要領，將選定一明確的硬件，軟件，與開發工具(toolchain)環境做演練說明，除了讓讀者可以實作明了文中的敘述，當使用者的周邊非原設計的硬件(用戶自己的IP)時，可以運用移植的基本原則，更改希望移植IP的Linux驅動程序，其他原始碼不動，逐一的將使用者的周邊驅動程序移植到晶心的平臺。
在Linux移植過程中，使用者須建立一基本觀念，那就是整個Linux OS可分為兩部分，第一部分是與硬件相關的HW dependence code，這部分的程序代碼會因對應不同的硬件而造成軟件部分需做不同程度的改寫；第二部份是與硬件無關的generic code，這部分的程序代碼與硬件無關，純軟件運作，不會因平臺(Andes, X86, Arm..)的改變而有差別。移植Linux的工程師第一步需要能區分出哪一部分程序代碼是 HW dependence code，另外部分的程序代碼就是generic code，如果在這階段對程序代碼判斷錯誤(HW dependence code/generic code)會拖延Linux移植的進程并增加調試時的困難。
Linux移植到晶心平臺過程中，首先須先做到Linux基礎架構移植成功。在調試時，Linux的基礎架構組件是CPU，timer，interrupt與UART，當CPU與這3項周邊移植成功后，scheduler可以運行了，printk也可以運行了Linux系統已經可以正常的運作了。接下來的工作只需將需移植的驅動程序一個一個移植即可，基礎骨架移植完成后，調試也有printk可用，接下來只需將肉 (需要加的device drivers) 填上即可。Linux移植比較困難的地方是Linux基礎架構尚未完成之前(Linux移植的初期階段)的調試，所幸晶心提供的標準調試工具與AndeShape™的調試器AICE，可以一步一步找出問題之所在，讓初期移植Linux的調試也變得很簡單，具體得作法，后文會詳細說明。本文敘述重點是如何在晶心平臺上建立Linux基礎架構，至于個別Linux 驅動程序的移植，坊間有許多的書在介紹，本文就不多加贅述。
1. 開發環境與程序
使用者開始進行Linux移植到晶心平臺，首先須先選定一版晶心的Linux原始碼作為基準再進行軟件移植，修改原始碼以符合使用者的開發平臺，經由工具鏈的compile與link所產生的Linux的映像文件，再放到FPGA板上以驗證程序編寫的正確與否，依此開發程序:軟件編寫->FPGA板驗證，再回到軟件編寫程序直到所有周邊IP在FPGA板上驗證完全，Linux 移植才完成，如圖表 1所示，Linux移植過程中，AICE調試可以有效加快Linux移植的速度。
本文選定一組Linux原始碼、工具鏈、FPGA 板和netlist作為晶心的平臺(于1.1,1.2,1.3中所述)進行linux的移植。讀者可將自己的平臺與晶心的平臺做類比，從而有效縮短產品開發進程。
1.1 晶心版Linux原始碼
目前晶心最新版本的Linux原始碼在AndeSoft™的BSP310中，Linux原始碼在BSP310套件中的位置為: BSPv310/source/Linux/linux-2.6.tgz。使用BSP310中的ramdisk ”xc5_glibc_ramdisk.img”作為filesystem。
1.2 工具鏈
此晶心平臺選用的工具鏈是AndeSoft™的nds32le-linux-glibc-v2。
1.3 FPGA 板子與 netlist
FPGA板子是晶心AndeShape™的 XC5 開發板。Netlist 為晶心AndesCore™的N10 production version.
移植平臺是指使用者要移植Linux的平臺，也就是移植Linux的目標平臺。將移植平臺與晶心平臺的比較列表如下: (其中所列之軟件皆屬于BSP310中之套件)。
[page]2. Boot loader
如果使用者有自己慣用的boot loader，可以使用慣用的boot loader以加快開發時程，如果沒有boot loader的開發經驗，可以選用u-boot作為系統的boot loader.。u-boot的source ocde位置在BSPv310/source/Standalone/u-boot/u-boot.tgz。
2.1 U-boot
AndeSoft™的BSP310中u-boot source code是需要EBIOS boot up后再執行的u-boot版本。直接boot up不需要其他軟件協助的U-boot版本(ROM版)是比較符合使用者的需要，晶心版的u-boot使用方法請參考BSP310 User Manual。如果要ROM版的u-boot需要在BSP310中的u-boot軟件做patch，其指令如下:
# patch -p1 <burn-mode.patch
- patching file arch/nds32/cpu/n1213/ag101/cpu.c
- patching file arch/nds32/cpu/n1213/start.S
- patching file arch/nds32/include/asm/u-boot-nds32.h
- patching file arch/nds32/lib/board.c
- patching file board/AndesTech/adp-ag101p/config.mk
- patching file include/configs/adp-ag101p.h
patch 完成的u-boot source code 可以產生ROM版的u-boot image，直接開機后的執行結果如圖表3所示。
3. 調試環境
在移植Linux到晶心平臺之前，先架設好調試的環境，尤其對底層Linux原始碼的移植，有莫大的幫助，在 printk尚未正常運作前，需依靠AndeShape™的AICE與 AndeSoft™的GDB來進行調試。
3.1設定Linux kernel 調試選項
Linux Kernel 需要設定一些調試選項，才能順利的運用AndeSoft™的GDB進行調試。晶心平臺中Linux kernel 調試選項設定如圖表4所示，增加這些選項會增加kernel 映像文件的空間，如果空間占用過大以至于不符合設計需求時，可在調試工作完畢后將調試選項關閉以節約不必要的空間浪費。
3.2 Linux kernel 調試的程序
Build成kernel bootpImage (含kernel debug message如圖表四選項) 后，Linux的映像檔放到FPGA板子上，PC host 端的AndeSoft™的GDB透過網絡(socket)與AICE連接至FPGA板子，進行調試的工作。[page]
3.2.1. 編譯鏈結成映像檔
設定好AndeSoft™的 cross-compiler 路徑后，利用下列指令經由compiler and linker后可以得到 bootpImage，指令如下:
#CROSS_COMPILE="nds32le-linux-" ARCH="nds32" make xc5_defconfig
#CROSS_COMPILE="nds32le-linux-" ARCH="nds32" make menuconfig
# CROSS_COMPILE="nds32le-linux-" ARCH="nds32" make bootpImage INITRD=xc5_glibc_ramdisk.img
將生成的bootpIamge放到FPGA板子上，將AICE連接到FPGA板子啟動ICEman，指令如下:
#C:AndestechAndeSight200MCUice>ICEman.exe --p 1234
PC host端的AndeSoft™的GDB透過網絡(socket)與AICE連接至FPGA板子，進行調試的工作，示范指令如下:
#ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux
gdb>target remote 10.0.2.164:1234
其中IP值 10.0.2.164是一個應用范例，用戶可依環境實際IP值進行設定。環境設定完成后，可以開始進行調試工程。
4. 移植Linux至晶心平臺關鍵點經驗傳承
4.1 Kernel加載程序調試實作
kernel加載程序目的將kernel主程序進行解壓縮并加載正確位置，此程序與kernel主程序是兩個不同程序，但會一起包在zImage中只是kernel加載程序會attached在zImage的前面。調試時需 file不同的 ELF file才能進行正確的調試工作，kernel加載程序的位置在arch/nds32/boot/compressed/vmlinux，指令如下所示。
#ddd --debugger nds32le-linux-gdb arch/nds32/boot/compressed/vmlinux
kernel主程序的ELF file “vmlinux”在kernel source code的根目錄下指令如下所示。
#ddd --debugger nds32le-linux-gdb vmlinux
4.2 Linux kernel 調試實作
kernel加載程序執行完畢后會跳到kernel主程序執行。進入點是arch/nds32/kernel/head.S的assembly code執行完后會進入 kernel 的主要函數 “start_kernel”。
4.2.1. RAM offset patch
晶心版Linux原始碼搭配XC5平臺，RAM的起始位置(指的是PA)是0x0，使用者FPGA開發板的RAM起始位置如果不是0x0，必須要修改FPGA板子中RAM的起始位置，做法是在晶心版的Linux原始碼中進行RAM address patch，將原始碼中RAM位置調整到FPGA開發板中RAM的真實位置。
4.2.2. PA/VA remap table
當FPGA板子IO的PA設定正確后，使用者需要設定PA/VA remap table，作法可參考arch/nds32/include/asm/spec-ag101.h，依照apec-ag101.h中PA/VA對應的關系去增減使用者自己IO device的 PA/VA remap table。
4.2.3. Kernel 解壓縮與software breakpoint
在進行kernel 調試時，如果在低地址處，例如:head.S中進行調試，當設定 software breakpoint時，會有breakpoint無法停下來與AICE 斷線的情況發生。原因是當使用者設定software breakpoint時，breakpoint處的instruction會修改并加入break instruction。但kernel解壓縮時會將調試的程序代碼覆蓋造成與GDB調試不一致性而產生錯誤。解決的方法就是原設定software breakpoint改為hardware breakpoint，這樣就可以避免因kernel解壓縮所造成調試的錯誤，降低調試時的困難度。
4.2.4. PA/VA 觀念說明與調試要領
在原始碼arch/nds32/kernel/head.S中
la $lp, __mmap_switched
mtsr $lp, $IPC
iret
執行完iret后，系統就會從PA轉成VA，MMU translation status從translation off轉為translation on在此分界處調試規則如下所述，如果觀念不清楚及容易產生調試時的錯誤，請務必牢記。
4.2.4.1. MMU translation off 時期調試
在這個時期調試，VA是不存在的。所有的IO address與memory都是PA沒有VA，如果調試地址設成VA，容易hit illegal address 而造成exception。
4.2.4.2. MMU translation on 時期調試
在這個時期調試，PA是不存在的。所有的IO address與memory都是VA沒有PA，如果調試地址設成PA，容易hit illegal address 而造成exception.
4.2.5. 移植Linux的基礎組件
MMU translation on后，很快就會進入start_kernel 函數，接下來移植的重點就是移植Linux基礎組件，那就是interrupt，timer and UART。當這3個device移植成功后，Linux的架構就建立起來了，printk也可以用了，Linux已經可以正常的運作。如果沒有意外，可以執行完kernel甚至將filesystem帶起來。接下來用戶可以將自己的周邊組件一個一個的device driver移植入系統。當周邊組件移植完成后，Linux系統移植到晶心平臺就完成了。
5. 結語
Linux操作系統運作在晶心平臺已有多年的時間。各式各樣的Linux軟件運作在晶心平臺不計其數。皆可證明Linux操作系統運作結合晶心平臺是一個穩定與成熟的產品，只要能明了熟悉Linux 移植的技巧與重點，使用晶心平臺開發Linux的產品將是一件愉快與簡單的工作。
