RA8D1B-CPKCOR开发板移植linux -- 第一个在Cortex-M85上跑linux的憨憨出品

只看该作者 · 2024-10-21 20:59

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@21小跑堂

国庆前有一块RA生态工作室出品的RA8D1B-CPKCOR开发板到了，主控瑞萨RA8D1B MCU，基于Arm Cortex-M85，支持Helium 和 TrustZone，CPU频率高达480MHZ。似乎是世界第一款使用Cortex-M85的MCU？RA8D1B集成2MB flash和1MB的SRAM，I/D-cache 32KB。集成一堆丰富外设主控，比如usb、eth、i2c、i3c、spi、sdhci、ospi、canfd、MIPI-DSI、CEU摄像头、2D图形、TFT显示控制等等，MCU功能已经非常强大。更有意思的是RA8D1B-CPKCOR板载了32MB SDRAM，16MB的QSPI flash，看到这些尤其是32MB的SDRAM笔者觉得这板子足够跑linux系统了，虽然Cortex-M85无MMU，但主线linux早已经支持NOMMU了。要说生态没有哪个RTOS能和linux比生态，在不要求硬实时的应用场景中利用linux系统的丰富生态能大大降低软件工作量。一个复杂MCU平台的软件工作量非常大，特别是集成M7、M85这样高性能的core（M7 coremark/MHZ超过A7）的MCU，外设通常也是比较丰富的，大多数系统还板载了SDRAM或PSRAM，如果再以裸机思维去做软件，软件复杂度大到不可想象。而RTOS的生态因种种原因远远不如linux。

那咱们就开始RA8D1B移植linux的旅程了：

bootloader初始化SDRAM

初始化sdram，其实RA生态工作室其实做好了，直接把他们的board_sdram.c和board_sdram.h拷贝过来即可。这一步最好做下内存读写的压力测试，我没用他们的测试code，自己写了一份，为啥呢：linux下读写内存1字节、2字节、4字节都可能的，我想都测到，测试代码如下：

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#define SDRAM_BASE_ADDRESS (0x68000000U)



static void sdram_test(void)

{

        int i;

        uint32_t addr;

        uint32_t t1;

        uint8_t testbuf[64];

        void *p = (void *)SDRAM_BASE_ADDRESS;



        APP_PRINT("Writing SDRAM...\n");

        printf("Writing SDRAM...\n");

        for (addr = 0; addr < 32 * 1024 * 1024; ++addr) {

                uint8_t data = addr & 0xff;

                *(uint8_t *)(p + addr) = data;

        }



        APP_PRINT("Reading SDRAM...\n");

        printf("Reading SDRAM...\n");

        for (addr = 0; addr < 32 * 1024 * 1024; ++addr) {

                uint8_t data, expected;



                expected = addr & 0xff;

                data = *(uint8_t *)(p + addr);

                if (data != expected)

                        APP_PRINT("SDRAM 8bit read failed at %lx (%x != %x)\n", addr, data, expected);

        }

        APP_PRINT("SDRAM 8bit read pass.\n");

        printf("SDRAM 8bit read pass.\n");



        for (addr = 0; addr < 32 * 1024 * 1024; addr += 2) {

                uint16_t data, expected;

                expected = (((addr + 1) & 0xff) << 8) |

                           (addr & 0xff);

                data = *(uint16_t *)(p + addr);

                if (data != expected)

                        APP_PRINT("SDRAM 16bit read failed at %lx (%x != %x)\n", addr, data, expected);

        }

        APP_PRINT("SDRAM 16bit read pass.\n");

        printf("SDRAM 16bit read pass.\n");



        for (addr = 0; addr < 32 * 1024 * 1024; addr += 4) {

                uint32_t data, expected;

                expected = (((addr + 3) & 0xff) << 24) |

                           (((addr + 2) & 0xff) << 16) |

                           (((addr + 1) & 0xff) << 8) |

                           (addr & 0xff);

                data = *(uint32_t *)(p + addr);

                if (data != expected)

                        APP_PRINT("SDRAM 32bit read failed at %lx (%lx != %lx)\n", addr, data, expected);

        }

        APP_PRINT("SDRAM 32bit read pass.\n");

        printf("SDRAM 32bit read pass.\n");



        memset(testbuf, 0x5a, sizeof(testbuf));

        DWT_init();

        t1 = DWT_get_count();

        for (i = 0; i < 10000; ++i) {

                memcpy(p, testbuf, 64);

        }

        t1 = DWT_get_count() - t1;

        t1 = DWT_count_to_us(t1);

        t1 /= 1000;

        APP_PRINT("SDRAM write speed: %ld B/s.\n", 64 * 10000 * 1000 / t1);

        printf("SDRAM write speed: %ld B/s.\n", 64 * 10000 * 1000 / t1);



        t1 = DWT_get_count();

        for (i = 0; i < 10000; ++i) {

                memcpy(testbuf, p, 64);

        }

        t1 = DWT_get_count() - t1;

        t1 = DWT_count_to_us(t1);

        t1 /= 1000;

        APP_PRINT("SDRAM read speed: %ld B/s.\n", 64 * 10000 * 1000 / t1);

        printf("SDRAM read speed: %ld B/s.\n", 64 * 10000 * 1000 / t1);



        for (;;) {

                APP_PRINT("SDRAM test done\n");

                printf("SDRAM test done\n");

                __WFI();

        }

}

这一步其实还有用FSP配置并生成项目工程，本人因习惯于Linux下开发，所以生成的是CMake工程。这一步网上测评很多铺天盖地，且FSP使用并非本次主目标，这里不再赘述。

bootloader加载并跳转linux内核入口
加载内核image、dtb等可以从sd卡加载也可以从flash上加载，但bootloader不是本次主目标，能否偷懒呢？不要忘记板载的jlink，完全可以用jlink把内核image和dtb加载到SDRAM指定位置，jlink加载命令语法如下：

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loadfile FILE address noreset

比如

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loadfile /tmp/Image.bin 0x68008000 noreset

noreset意思是只加载后不要reset目标板，jlink loadfile默认是reset的。

加载解决了，跳转内核入口呢？easy，使用jlink的wreg命令即可，语法如下：

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wreg rN value

不过这里碰到jlink一个比较搞笑的地方，它命令行里32位arm的pc寄存器，你写r15或pc都不行，必须是"R15 (PC)"才行，比如

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wreg "R15 (PC)" 0x68008000

建议segger这里做下简单更新，方便用户，毕竟打双引号再空格再括号相当繁琐。

linux cortex-m85的支持补丁
32位arm对每款cpu都有一个所谓proc_info的结构体，成员包含cpu setup函数，cache操作函数，hwcaps变量等等，cortex-m85呢笔者做这个事情的时候主线linux中还没有这个结构体。经阅读cortex-m85 TRM可以知道就上述操作函数等来讲它和cortex-m55是兼容的，所以笔者打了个补丁如下：

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--- a/arch/arm/mm/proc-v7m.S

+++ b/arch/arm/mm/proc-v7m.S

@[url=home.php?mod=space&uid=72445]@[/url] -194,6 +194,16 @[url=home.php?mod=space&uid=72445]@[/url] ENDPROC(__v7m_setup)

        .long   \cache_fns

 .endm



+       /*

+        * Match ARM Cortex-M85 processor.

+        */

+       .type   __v7m_cm85_proc_info, #object

+__v7m_cm85_proc_info:

+       .long   0x410fd230              /* ARM Cortex-M85 0xD23 */

+       .long   0xff0ffff0              /* Mask off revision, patch release */

+       __v7m_proc __v7m_cm85_proc_info, __v7m_cm7_setup, hwcaps = HWCAP_EDSP, cache_fns = v7m_cache_fns, proc_fns = cm7_processor_functions

+       .size   __v7m_cm85_proc_info, . - __v7m_cm85_proc_info

+

        /*

         * Match ARM Cortex-M55 processor.

         */

fix一个exc_ret的bug
不多说了看代码即可

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+++ b/arch/arm/include/asm/v7m.h

@[url=home.php?mod=space&uid=72445]@[/url] -51,6 +51,7 @@

  */

 #define EXC_RET_STACK_MASK                     0x00000004

 #define EXC_RET_THREADMODE_PROCESSSTACK                (3 << 2)

+#define EXC_RET_FTYPE                          (1 << 4)



 /* Cache related definitions */



diff --git a/arch/arm/mm/proc-v7m.S b/arch/arm/mm/proc-v7m.S

index ed7781c84341..fdae077d2654 100644

--- a/arch/arm/mm/proc-v7m.S

+++ b/arch/arm/mm/proc-v7m.S

@[url=home.php?mod=space&uid=72445]@[/url] -138,6 +138,7 @[url=home.php?mod=space&uid=72445]@[/url] __v7m_setup_cont:

 1:     cpsid   i

        /* Calculate exc_ret */

        orr     r10, lr, #EXC_RET_THREADMODE_PROCESSSTACK

+       orr     r10, #EXC_RET_FTYPE

        ldmia   sp, {r0-r3, r12}

        str     r5, [r12, #11 * 4]      @ restore the original SVC vector entry

        mov     lr, r6                  @ restore LR

clockevent和clocksource
linux系统必有至少一个clockevent提供心跳中断，一个clocksource提供计时。其中clockevent必须的，clocksource可以由内核的jiffies代替，详细笔者就不赘述了，因为前前后后讲清楚它们可以长篇大论写两三篇大文章，linux内核这块其实还蛮复杂的，但对clockevent和clocksource驱动要提供的接口来说变简单了，以后有机会再写吧。对应到MCU来说，其实就是timer嘛，RA8D1B里集成的timer多的是，各种口味的都有。对着RA8D1B的手册写clockevent/clocksource驱动难度不大，但是，笔者这次想换个**，咱能不能利用arm自由的资源呢？我们知道arm M类cpu都有一个systick且支持中断，所以理论上可以把它抽象成一个clockevent的。目前linux内核主线中把这个systick当clocksource用的，不支持clockevent，它的代码在drivers/clocksource/armv7m_systick.c。咱给它改造改造整个容，经笔者整容之后的armv7m_systick.c眉清目秀，盘亮条顺。

tty console
要看基本linux启动成功可用，最简单的还是一个tty console。console用uart做比较简单，这个RA8D1B里也有好几个uart，而且特性丰富功能强大，而且似乎内核中有一个同出一门众芯片的串口驱动drivers/tty/serial/sh-sci.c，但似乎寄存器不是太一致，所以接下来咱就对着手册改写串口驱动吗？NoNoNo，一般来说特性丰富功能强大就暗示着还是蛮复杂的，不信你去读一读sh-sci.c，咱能否粗糙猛方式搞定linux呢？咱又看上jlink了，它不是有个RTT (Real Time Terminal)么，既然号称Real Time Terminal，代替个串口做console那是小菜一碟阿。但是Segger的RTT代码不能直接用，因为SDRAM有32MB，这么大空间都搜一遍么？而且别忘记Cortex-M85是可以带有D-cache的，恰好RA8D1B里的这个M85就配置了D-Cache, linux肯定开启cache了，RTT代码注释和文档里对使能了cache这块其实有很多的说明。笔者这>里换了一个思路，不要用SDRAM而是SRAM阿或者DTCM一部分来做RTT控制块，DTCM是不经cache的。另外为了通用性，咱们这里还需要使用DT(Device Tree)技术而不是hardcoding来设置RTT控制块的地址，然后通过如下命令告诉jlink到哪里去找RTT控制块：

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exec SetRTTAddr 0x20000000

笔者也把Segger的RTT给整了个容，更像linux家的大**了。

dts
最后根据MCU和板级具体情况做个简单的dts，主要就是告诉SDRAM起始地址阿大小阿什么的，还有上面说的rtt的设备节点。

至此，linux内核层的事情搞定了，咱来搞定linux用户层。

利用buildroot构造工具链和rootfs

buildroot对NOMMU Linux支持得非常好，基本是拿来就用，buildroot使用方法网上也是很多的，前后>讲完也是很费时的，这里笔者也不多着笔墨了，因为linux userspace也不是主要目标。这个步骤的输>出是一个用busybox做的简单rootfs，可以在内核编译时builtin进去省去加载initrd/rootfs的过程。

编译内核和dtb
上述dts编译成一个dtb，重命名为dtb.bin，内核（带rootfs builtin）编译成一个Image，重命名为Image.bin。

万事具备，可以吹东风啦，咱上机测试一把
板子上电，烧录前面讲的bootloader，重启板子，运行jlink挂上去，运行如下命令：

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halt

exec SetRTTAddr 0x20000000

loadfile /tmp/Image.bin 0x68008000 noreset

loadfile /tmp/dtb.bin 0x68004000 noreset

wreg "R15 (PC)" 0x68008001

wreg r0 0

wreg r2 0x68004000

go

第一个命令停止cpu，第二个命令是告诉jlink RTT控制块地址，后面是加载内核Image和跳转内核入口，至于为啥这么设置请参考arm linux内核启动协议，网上很多，笔者不再赘述了。
再起一个shell运行如下命令获得RA8D1B的linux shell

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telnet 127.0.0.1 19021

最后运行NOMMU Linux的视频供参考: https://www.bilibili.com/video/BV1FU2zYqEVQ/

咱可能是世界上第一个在cortex-m85平台上跑linux的憨憨 :D

最后说一句：笔者有一个预感，NOMMU Linux可能又会流行起来了。

RA8D1B-CPKCOR开发板移植linux -- 第一个在Cortex-M85上跑linux的憨憨出品

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