將Circle驅動框架移植到一個自制微內核操作系統(tǒng)的過程

一 前言

什么是Circle？

Circle是一個叫rsta2的大佬用C++寫的bare-metal的樹莓派驅動框架，同時支持現(xiàn)存的幾乎所有版本樹莓派，能夠驅動樹莓派上的大部分設備，包SD卡控制器、有線和無線網卡、GPIO、USB控制器及一些常用USB設備等。

這些設備驅動中有一些是rsta2參考Linux或其它bare-metal的實現(xiàn)自己寫的，還有一些是他直接從其它系統(tǒng)移植過來的。各驅動對外封裝成了C++類的形式，可以按需對其實例化和使用。對于在樹莓派上編寫自制操作系統(tǒng)并且希望盡快驅動一些設備的場景，將Circle整個移植過來是非常值得考慮的選項。當然，需要注意的是，Circle的開源協(xié)議是GPLv3，具有傳染性，應該把它作為系統(tǒng)的非必要組件來使用。

本文干了什么？

本文將簡要記述將Circle驅動框架移植到一個自制微內核操作系統(tǒng)（實際上是實驗室項目），作為用戶態(tài)驅動進程的過程。

由于只是簡要地記錄移植過程和經驗總結，本文不會深入到每一個具體的細節(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，并根據具體情況具體分析。

二 確定需求

首先一開始不要盲目移植，先確定一下自己需要Circle中的哪些設備驅動，比如說，如果你只是需要USB相關驅動，那么在移植過程中可以不關心WLAN那塊是否有不兼容。

然后跑一些Circle提供的sample，確定Circle確實可以滿足需求。

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，許多驅動都需要通過mailbox獲取信息或申請資源等。這部分移植完成后，將可以在啟動時獲取機器信息，并點亮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相關的代碼。

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

assert：assert失敗后不要真的關機或重啟，可以exit；

interrupt：一開始可簡單打印點內容，不用真的實現(xiàn)；

logger：改為printf輸出；

new：使用malloc分配；

sysinit：提供假實現(xiàn)；

timer：使用nanosleep實現(xiàn)SimpleusDelay；

memory：CMemorySystem類可以直接去掉，一開始會有地方用到CMemorySystem::GetCoherentPage；

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

3.Circle進程啟動時將物理地址的外設區(qū)域直接對等映射到當前進程的虛擬地址空間，這樣將不需要改動Circle中通過MMIO訪問外設時使用的地址。

經過一些調試后，可以點亮LED燈，輸出日志到stdout，然后退出（需要編寫適當?shù)?strong>kernel.cpp，可參考sample），這意味著簡單的MMIO已經可以了。

四 驅動屏幕

這一步同樣需要重新實現(xiàn)一些模塊：

synchronize：主要是刷cache相關操作；

bcmframebuffer：向GPU申請frame buffer后需要將其映射到當前進程的虛擬地址。

經過一些調試后，可以通過HDMI輸出內容到屏幕。

五 模擬實現(xiàn)Timer

對于一些稍復雜的驅動，例如USB和WLAN，會依賴timer獲取當前tick，因此需要重新實現(xiàn)timer模塊。

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

經過一些調試后，輸出的日志中能夠包含當前時間，此時說明timer基本實現(xiàn)對了。

六 解決內存相關的一系列問題

許多驅動在運行的過程中需要分配內存以供外設進行DMA，同時又需要在進程內訪問這塊內存以讀寫跟外設交互的數(shù)據。因此，這塊內存既需要能通過虛擬地址訪問，又需要能獲取到物理地址，同時在物理地址上連續(xù)且non-cacheable。malloc是不能滿足這個需求的，因為malloc只保證分配出的內存虛擬地址連續(xù)，不能保證物理地址連續(xù)，也無法配置成non-cacheable。

要解決這個問題，需要內核提供分配物理上連續(xù)且non-cacheable的內存并映射到虛擬地址空間的相關系統(tǒng)調用，然后再在Circle中利用這些系統(tǒng)調用重新實現(xiàn)內存相關模塊。其實在前面已經粗略地實現(xiàn)了，但在這一步需要確保實現(xiàn)的正確性。對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 用戶態(tài)處理中斷

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

首先要求內核提供讓特定用戶態(tài)進程處理特定IRQ的能力，具體來說就是驅動進程要能夠通過系統(tǒng)調用注冊一個函數(shù)作為特定編號的IRQ的用戶態(tài)處理函數(shù)，然后內核在收到IRQ后調用此函數(shù)來處理。

接著重新實現(xiàn)interrupt模塊，把CInterruptSystem::ConnectIRQ改為使用上述注冊IRQ處理函數(shù)的系統(tǒng)調用，暫時用不到的函數(shù)可以不實現(xiàn)，比如與FIQ相關的。

八驅動USB

Timer、DMA buffer、中斷這幾個重要的部分移植完成后，比較容易就可以驅動USB控制器，進而可以檢測并驅動USB鍵盤、鼠標、存儲、串口轉換器等設備，對于樹莓派3，還可以驅動有線網卡（LAN7800）。

九其它驅動

到目前為止已經移植了大部分驅動所需的運行環(huán)境，之后的移植工作主要看具體的需求了，比如如果需要網絡協(xié)議棧，還要重新實現(xiàn)sched模塊，里面包括線程抽象、調度、線程同步機制等。

審核編輯：劉清