1.1. 谁需要阅读本文？

本指南描述了一个正在进行的工作，即将 Linux 移植到定制的基于 PowerPC 的板卡。这意味着使操作系统在不熟悉的硬件上工作。任何在这条道路上的人都可能从阅读本文中受益，因为它突出了沿途的陷阱和问题点。

1.2. 我需要了解什么（为什么这么多）？

在尝试移植 Linux 之前，至少要了解以下内容：（在可能的情况下，附上了指向适当信息来源的链接）

• 硬件：了解您拥有的硬件、它的工作原理（如果它工作）以及它是如何初始化的。获取您可以找到的所有硬件手册 - 您可能需要它们。此外，永远不要假设硬件会按照它应该的方式工作！硬件人员会做最糟糕的事情 :-(

• 对驱动程序以及它们在 Linux 中的工作方式有基本的了解。简单的驱动程序编程知识是一个优势 - 但不是必须的。http://www.tldp.org/HOWTO/Module-HOWTO/index.html

• 如何使用 Vision-ICE，如何配置它并使用它将二进制内核加载到目标 RAM 中。此外，在开始时，您需要知道如何使用 ICE 在汇编中进行调试。

• 如何编译和配置 Linux 内核。http://www.tldp.org/HOWTO/Kernel-HOWTO.html

• Linux 启动过程。http://www.tldp.org/HOWTO/BootPrompt-HOWTO.html

• C 编程的工作知识是必须的。一些汇编知识肯定会有所帮助。此外，最好了解 Makefiles。它们有时会冒出来。

• 互联网是您的朋友。您需要的所有信息可能都在网上。您只需要知道如何找到它。Google 是一个很好的开始；邮件列表和新闻组通常保留着真正的黄金。

• 如何安装 Linux、配置它、管理它以及基本上照顾它需要的一切。本指南不涵盖有关系统管理、设置服务器等任何内容。

1.3. 工具

本节介绍我们在过程中使用的工具。大多数工具都很容易安装和使用。必要时，请查阅相应的网址或手册。

• HardHat Linux：首先，HHLinux，现在称为 MontaVista Linux，是我们开始使用的发行版。该发行版包含适用于多种板卡配置的 PowerPC 的 LSP（与 BSP 相同）。为了移植到我们的板卡，我们采用了硬件上最接近我们的 Artysyn PMPPC 板卡的 LSP，并从那里开始。

• LXR：这是杀手锏工具，它使我们能够在很短的时间内移植 Linux。LXR 是一个交叉引用器，这意味着它读取一段代码（例如 Linux 内核），然后允许浏览代码、搜索代码等等。我再怎么强调这个工具的重要性也不为过。要查看最终结果是什么样的，请查看 http://lxr.linux.no/source。LXR 本身可以在 http://lxr.sf.net 下载

• VisionICE：一个硬件调试器，它能够停止、运行并在 CPU 中直接添加断点。当没有操作系统运行时，VisionIce 非常有用，并且允许在启动过程中单步执行内核。该应用程序还可以用于获取内核的二进制映像，将其加载到目标的 RAM 内存中并运行它 - 当您没有引导加载程序时很有用。

• CVS：一个版本控制系统，允许您保留代码的多个版本。除了备份代码之外，它还允许在不同版本之间进行差异比较，并在需要时恢复到旧版本。

• 终端程序，例如 Windows™ 的 HyperTerminal 或 ProCOMM，或 Linux 的 minicom。

1.4. 硬件

该板卡基于 PPC750 (PowerPC) 处理器。它是 6U VME64 标准。该板卡设计用于容纳两个 PCI Mezzanine 卡 (CCPMC) - 可以连接符合 Std CCPMC1386 的 Mezzanine 卡。

• COP 连接器。

• 1 MB 的 L2 缓存。

• CPC700 系统控制器。

• 128 MB SDRAM，带 ECC。

• 闪存，分为启动闪存和用户闪存。

• NVRAM 内存。

• I/O 离散量。

• RS232 通道。

• 通用寄存器。

• PCI 2.1 本地总线。

• 10/100 BaseT 以太网通道。

• VME64 系统总线。

1.5. 版权与许可

版权所有 (c) 2002 Shie Elrich

根据自由软件基金会发布的 GNU 自由文档许可证 1.1 版或任何更高版本的条款，授予复制、分发和/或修改本文档的许可；没有不变部分，没有封面文本，也没有封底文本。许可证副本包含在附录 A中。

2.1. 创建开发环境

最低要求显然是一个开发站和一个目标。但是，推荐的工作方式是拥有第三台主机作为服务器。服务器运行多项服务，例如 ftp、telnet、NFS、tftp（如果需要）和 CVS。服务器的主要作用是运行 CVS 并跟踪版本控制，但是一旦您可以从网络启动目标，服务器还将保存目标映像和文件系统，这使得开发变得更加容易。

无论如何，第一步是为您的目标安装工具链（编译器、链接器等）。HardHat Linux 光盘包含所有需要的文件，并且 HardHat Linux 文档中记录了安装顺序。在安装过程中，您必须选择您的 LSP（所选板卡的基本软件），HardHat 将安装一组工具和一个与您的 LSP 匹配的内核源代码树。

我们有一个运行 vxWorks 的板卡，因此我们将目标设置为使用标准 vxWorks 引导加载程序启动。一旦引导加载程序启动，我们使用 visionICE 接管目标（以便 vxWorks 不会加载映像文件）并将 Linux 映像加载到目标中。此时您需要做的是获取 ICE，将其连接到网络和目标 - 通过 JTAG 连接 - 并在您的主机上安装 ICE 软件。

到目前为止应该完成的事情

• 已安装 Linux 主机和 HardHat 工具链。

• 工作目标（硬件应功能正常）

• ICE 已连接到目标和网络，其软件可用。

• 可选地，运行 CVS、telnetd、NFS 和 FTP 的服务器。

2.2. 编译第一个内核

如果您已安装 HardHat 附带的 Linux 内核，则交叉编译应该已在内核中启用Makefile。如果您的内核不是来自 HardHat CD，您应该在Makefile中通过以下方式定义 CROSS_COMPILE 条目来启用交叉编译：（来自主 Makefile 的代码段）

CROSS_COMPILE 	= /opt/hardhat/devkit/ppc/7xx/bin/ppc_7xx-
AS		= $(CROSS_COMPILE)as
LD		= $(CROSS_COMPILE)ld
CC		= $(CROSS_COMPILE)gcc

Linux 内核是模块化的，允许您配置它并选择哪些“块”应与内核一起编译。为了做到这一点，首先 cd /usr/src/linux（假设您的内核源代码安装在 /usr/src/linux）。进入后，键入 make xconfig。保存您的选项后，您应该 make vmlinux 以创建一个适用于 VisionICE 的内核映像。

我们不会在此处深入探讨更多细节，因为它超出了本文档的范围。有关更多信息，请尝试 http://www.tldp.org/HOWTO/Kernel-HOWTO.html

2.3. 启动机器

首先，配置终端程序，在我们的例子中是 minicom，按以下方式配置：9600 bps，8 位，无奇偶校验，1 个停止位，并且没有任何类型的流量控制。Linux 中的串行端口应该是/dev/ttyS0对于COM1, /dev/ttyS1对于COM2等等。

启动目标。您应该在终端屏幕上看到 vxWorks 引导加载程序，并且应该能够通过按空格键来停止引导序列。

我们无法使用 vxWorks 引导加载程序来加载 Linux 内核，因为它会在 ELF 标头中查找并将映像加载到那里写入的地址。但是，使用虚拟内存的 Linux 内核链接到高内存地址，而 vxWorks 无法处理该地址。

一旦目标停止，运行 VisionICE 软件并执行以下步骤

• 通过按 Target|Initialize 初始化目标

• 按 File|Load Executable。将打开一个对话框，要求您选择一个文件。请选择您的内核映像 (vmlinux)。在按 Load 之前，不要忘记在+/- 偏差字段中输入一个值。

  偏差字段使 ICE 能够将特定映像加载到与 ELF 二进制文件中声明的地址不同的地址。我们希望将内核加载到地址0x300000，并且由于二进制文件链接到0xC0000000，我们输入了-0xBFD00000.

• 一旦映像成功加载，您可以按 Run 或 Step 开始执行您的内核。

VisionICE 不是调试 Linux 的正确工具。ICE 不了解虚拟内存和保护模式（至少我们拥有的版本是这样），并且由于 Linux 内核很早就开启了虚拟内存，因此 ICE 仅对于调试第一个汇编语句有用。在 VM 开启后，ICE 开始崩溃并给出奇怪的结果。

3.1. 使用 print_str() 进行调试

如上一章所述，机器开始启动，但什么也没发生。至少，我们看不到任何东西。屏幕是空白的，并且没有内核消息出现。此时，您必须问自己，它真的在启动吗？

由于控制台无法启动，并且 ICE 很快就死掉了，我们别无选择。我们必须以某种方式进行调试，最古老的方法在这里很好用 - 打印到屏幕。显然，我们不能使用printk()，因此我们编写了一个简短的函数，该函数将字符直接推送到串行端口。我们使用了上一节中显示的启动过程“映射”，并沿途插入了一些打印。这帮助我们了解我们完成的阶段以及我们死在哪里。以下代码片段通过轮询并等待串行端口空闲来将单个字符打印到串行端口。

/* tx holding reg empty or tx */ #define LSR_THREMPTY 0x20 /* fifo is empty (in fifo mode ) */ #define THR_REG 0x00 /* Transmit holding reg */ #define LSR_REG 0x05 /* Line status reg */ #define COM1_ADDRESS 0xFF600300 /* == replace with your UART address */ void print_char (char ch) { volatile unsigned char status = 0; /* wait until txempty */ while ((status & LSR_THREMPTY ) == 0) status = *((volatile unsigned char *)(COM1_ADDRESS + LSR_REG)); *((volatile unsigned char *)(COM1_ADDRESS + THR_REG)) = ch; }

有一种更好的代码可以直接打印到串行端口，但是，它有点复杂。您可以在 arch/ppc/boot/common/misc-common.c 中找到它，使用puts()或putc().

3.2. 使用编译器标志修改代码

虽然这不是移植问题，但您修改代码的方式很重要。如果您第一次就做对了，它会更容易。Linux 内核使用标准配置标志 CONFIG_XXXX（例如 CONFIG_PPC、CONFIG_ISA 等），这些标志用于标记特定的机器、体系结构或设备。我们为自己定义了一个新标志（我们称之为 CONFIG_TESTMACH），并将我们的新/修改后的代码用这些标志包围起来

....original code.... #ifdef CONFIG_TESTMACH ....modified code.... #else ....original code.... #endif /* CONFIG_TESTMACH */

为了“激活”我们的代码，我们将新标志添加到内核配置文件 -.config- 通过向其中添加 CONFIG_TESTMACH=y。在第一阶段，此解决方案允许您快速找到您更改的代码，但在稍后阶段，您选择的标志将允许您将您的代码添加到内核树和配置程序 (make xconfig) 中。

3.3. 使控制台工作

4.1. 内存探测、RTC 和递减器

现在控制台可以工作了，我们可以看到真正的问题了。系统仍然无法启动。由于我们正在使用 C 代码，我们跟踪了代码，发现一个名为sdram_size()的函数没有正确完成。该函数探测 RAM 大小的寄存器，而我们的板卡没有该寄存器。我们使该函数返回给定的 128MB 值，这是一个丑陋的黑客行为，但我们的板卡无法知道 RAM 的数量。

我们在一堆名为 todc_XXXX 的函数中遇到了同样的问题，主要是todc_get_rtc_time(), todc_set_rtc_time()，以及time_init()，因为我们的板卡上没有 RTC（实时时钟）芯片，而这些函数正在使用它。目前，我们使todc_XXX函数仅设置和获取一个恒定的日期和时间，因为我们的板卡没有 bios 电池，因此在断电时无法保持时间。

完成所有这些后，我们发现了todc_calibrate_descr()，它再次使用 RTC 芯片。我们不得不将该函数替换为我们自己的

void calibrate_decr() { int freq, divisor; freq = bus_freq(); divisor = 4; tb_ticks_per_jiffy = freq / HZ / divisor; tb_to_us = mulhwu_scale_factor(freq / divisor, 1000000); }

4.2. 大端小端（我们应该知道的）

4.3. 以太网：我们的第一个 PCI 设备

我们的板卡使用 Intel 以太网芯片，称为 i82559er，它有一个名为 eepro100 的模块。编译模块并启动后，我们发现该模块不起作用，尽管找到了以太网设备。我们猜测这是一个 irq 问题，并且设备没有获得它们需要的 IRQ。我们修改了一个名为pmppc_map_irq()的函数来映射我们的以太网设备

XXXX_map_irq(struct pci_dev *dev, unsigned char idsel, unsigned char pin) { static char pci_irq_table[][4] = /* * PCI IDSEL/INTPIN->INTLINE * A B C D */ { {22, 0, 0, 0},/* IDSEL 3 - Ethernet */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 4 - unused */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 5 - unused */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 6 - ???? */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 7 - unused */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 8 - unused */ {0, 0, 0, 0},/* IDSEL 9 - unused */ }; const long min_idsel = 3, max_idsel = 9, irqs_per_slot = 4; return PCI_IRQ_TABLE_LOOKUP; }

该函数根据 IDselects 映射 IRQ，这意味着按照设备在 PCI 总线上的设置顺序。这种结构有点棘手：min_idsel 表示数组的左上角，max_idsel 是左下角。irqs_per_slot 是每行的 IRQ 数量。结构如下

each cell contains (IDSEL, SLOT#, IRQ) +----------------------------------------+ | (3,0,22) | (3,1,0) | (3,2,0) | (3,3,0) | +----------------------------------------+ | (4,0,0) | (4,1,0) | (4,2,0) | (4,3,0) | +----------------------------------------+ .......... .......... +----------------------------------------+ | (9,0,0) | (9,1,0) | (9,2,0) | (9,3,0) | +----------------------------------------+

正如您所看到的，我们的 i8559er 需要 IRQ 22，并且位于 IDselect 3 中。当然，我们在开始时并不知道这一点，因此我们编写了一小段代码，用于读取所有 IDselects 中的所有供应商 ID。完成后，我们进行了编译，但以太网设备仍然无法工作。

下一个问题是模块无法确定设备的 MAC 地址。MAC 地址应该写在 EEPROM 芯片（连接到设备）上，但我们发现硬件人员认为 i82559 不需要 EEPROM，因此他们将其移除。在将 MAC 地址硬编码到eepro100.c中后，以太网设备终于可以工作了。最终的解决方案是使模块从 NVRAM 内存中读取 MAC 地址，并且如果没有其他选择，则回退到默认 MAC 地址。

下一步是挂载 NFS 根文件系统。有关详细信息，请参阅 Documentation/nfsroot.txt 中的文档

4.4. 一些其他问题

我们遇到了新问题，有些人会说是好问题。我们还没有引导加载程序，但是我们需要在启动时将命令行传递给内核。我们将命令行硬编码到内核内部的parse_options()中。在那之后，我们使console_init()和serial_console_setup()以它们应该的方式工作。它们不再忽略命令行，但 RTS 和 DTR 仍然保持低电平。

另一个重要问题是内存映射。文件arch/ppc/mm/init.c包含一个名为MMU_init()的函数。此函数实际上是一个大的 switch 语句，按机器类型划分。每台机器都使用setbat()和ioremap()函数映射其内存。BAT 机制是一种将虚拟地址转换为物理地址的方法。因此，setbat()通过指定虚拟地址、物理地址和页面大小来使用。并非所有大小都可以在此处使用；您应该使用有限的一组大小之一，范围从 128KB 到 256MB。我们映射了我们的 IO 内存，以便虚拟地址等于物理地址。

如前所述，还有另一种映射内存的方法 -ioremap(). ioremap()用于将物理地址映射到虚拟地址，使它们可供内核使用。该函数不分配任何内存，只是返回一个虚拟地址，通过该虚拟地址可以访问内存区域。以下是MMU_init():

case _MACH_mymachine: setbat(0, LOW_IO_VIRT_BASE, LOW_IO_PHYS_BASE, LOW_IO_SIZE, IO_PAGE); ioremap(UNIVERSE_BASE,UNIVERSE_SIZE); /* Universe VME */ ioremap(EEPRO100_BASE,EEPRO100_SIZE); /* Ethernet EEPRO100 */ break;

中的一个片段ioremap()正如您所看到的，我们没有获取

5.1. 64 位障碍

CPC700 有一个“功能”，旨在使某些内存访问使用 64 位宽度。这是一个问题，因为我们板卡上的一些 test-and-set 寄存器可能会被意外设置，因为我们试图读取低 16 位的某些内容。为了解决这种情况，我们将内存控制器设置为 64 位宽度间隔。如果您尝试以另一种方式（8 位或 16 位访问）访问这些区域，CPC700 只会丢弃它们。我们必须能够读取/写入这些区域，因为重要的“离散量”（由 Altera 设备控制）映射在那里。

为了访问这些区域，我们需要一个执行 64 位写入的函数。据我所知，在 PowerPC 上执行 64 位写入有两种方法：使用缓存行和使用浮点寄存器。浮点寄存器是一个 64 位大小的寄存器，因此当我们写入它时，整个 64 位都会被写入。问题是您不能在内核中进行浮点运算。由于内核在上下文切换期间不保存浮点寄存器，因此它不允许 FP，并且如果在内核中完成，则会抛出异常。

在摆弄缓存行之后，我们决定走 FP 方式，并添加了以下函数

void out64(__u32 addr, long long *pVal) { __u32 flags, tmp_msr; save_flags(flags); cli(); tmp_msr = __get_MSR(); tmp_msr |= MSR_FP; tmp_msr &= ~(MSR_FE0 | MSR_FE1); __put_MSR(tmp_msr); sysOut64(addr, pVal); __put_MSR(flags & ~(MSR_EE)); restore_flags(flags); }

该函数将浮点添加到 PowerPC MSR 寄存器，并确保不会因执行 FP 而产生异常。完成后，它使用汇编代码，在下面的sysOut64()中描述，以执行实际的浮点运算。请注意，该函数关闭了中断，但这在这里是可以接受的，因为我们仅在极少数情况下使用该函数。

_GLOBAL(sysOut64) stwu r1, -DEPTH(r1) mflr r0 stw r31, FP_LOC(r1) stw r0, LR_LOC(r1) mr r31, r1 stfd fr0, FPR_SAVE(r31) /* save floating point reg contents */ lfd fr0,0(r4) stfd fr0,0(r3) eieio lfd fr0, FPR_SAVE(r31) /* restore floating point value */ lwz r4, 0(r1) /* now restore the stack frame */ lwz r0, 4(r4) mtlr r0 lwz r31, -4(r4) mr r1, r4 blr

5.2. 从闪存启动

虽然 Linux 正在使用 NFS 文件系统启动，但这还不够。对于实际的现场产品，我们需要 Linux 从独立设备启动，而完全不需要网络。我们决定创建一种特殊类型的映像，称为 initrd，它基本上是一个带有压缩文件的 Linux 内核。压缩文件包括 Linux 文件系统。文件系统在启动时解压缩到 ramdisk，并挂载为根文件系统。

在启动过程中，引导加载程序将内核映像重定位到地址零 - 这很好，并将 initrd 部分重定位到更高的地址。initrd 重定位到的区域未映射到我们内核的内存中，我们得到的只是内核错误（访问错误区域）。在修改引导加载程序以将 initrd 重定位到不同的地址后，一切正常，Linux 成功启动。

如果您的板卡有一些 NVRAM 内存，那么将其用于引导加载程序目的是一个好主意。在为我们的 NVRAM 内存编写模块（超出本文档范围）后，我们修改了引导加载程序，以便将内核命令行和 MAC 地址保存在 NVRAM 中。当引导加载程序启动时，它会检查 NVRAM，如果它已初始化（通过某个幻数），则引导加载程序使用那里写入的命令行。否则，引导加载程序将恢复为默认命令行，允许用户编辑它。