在单片机上运行Linux（转载）

介绍

在Linux论坛中，常见的问题是询问Linux的最低规格是多少。常见的答案是，它需要32位体系结构，一个MMU和至少一兆字节的RAM以适合内核。该项目旨在（并成功）的粉碎这些概念。您在右侧看到的开发板基于ATmega1284p。我也使用ATmega644a取得了同样的成功。该主板没有其他处理器，并且可以启动Linux 2.6.34。实际上，它甚至可以显示完整的Ubuntu堆栈，包括（如果有时间等的话）X和gnome。

内存

完整的Linux安装需要兆字节或RAM和带有MMU的32位CPU。这个项目具有所有这些。首先让我们解决RAM。如您所见，板上有一个老式的30针SIMM内存模块。这些已用于基于80286的PC。它与ATmega接口，我编写了代码来访问它以及在规范内对其进行刷新（SDRAM需要不断刷新以避免丢失数据）。有多快？刷新中断每62ms发生一次，占用1.5ms，因此占用了不到3％的CPU。为了便于编程，一次访问一个字节访问RAM。这导致每秒大约300 KB的最大带宽。

存储

随着对RAM要求的降低，我们有两个要处理。存储不是很难解决的问题。SD卡很容易与使用SPI对话，而我的项目做到了这一点。1GB SD卡可以正常工作，尽管512Mb对于该特定文件系统（Ubuntu Jaunty）而言已足够。ATmega确实有一个硬件SPI模块，但是由于某种原因，它并没有完全解决问题，因此我在接口上做一些改动。它仍然足够快-大约每秒200千字节。这也给项目增加了一个很好的感觉-可以在任何具有足够引脚的微控制器上完成-无需使用硬件模块。

中央处理器

剩下的就是讨厌的32位CPU和MMU要求。那么，AVR没有MMU，而是8位的。为了克服这一障碍，我编写了一个ARM仿真器。ARM是我最熟悉的体系结构，它非常简单，可以轻松编写一个仿真器。为什么要写一个而不是移植一个？好吧，移植别人的代码是没有意思的，再加上我看到的所有仿真器都不是以易于移植到8位设备的方式编写的。原因之一：AVR编译器坚持将ints设置为16位，这样简单的事情如“（1 << 20）”会给您带来麻烦，并产生零。相反，您需要执行“（1UL << 20）”。不用说拖曳其他人的未知代码库，寻找所有假定为int且可能会失败的地方将是一场灾难。另外，我希望有机会编写一个不错的模块化ARM仿真器。所以我做了。

其它功能

该板与现实世界的通信是通过串行端口进行的。目前，它连接到运行minicom的PC上的串行端口，但是可以替代地将键盘和字符LCD连接到板上，使其完全独立。板上也有两个LED。它们发出SD卡访问信号。一读，一写。板上也有一个按钮。按住一秒钟，它将在串行端口上吐出模拟CPU的当前有效速度。AVR的主频为24MHz（比其现有的20MHz略有超频）

速度有多快？

uARM当然不是速度恶魔。引导到bash提示符（“ init = / bin / bash”内核命令行）大约需要2个小时。然后再花4个小时来启动整个Ubuntu（“ exec init”，然后登录）。启动X需要更长的时间。有效的仿真CPU速度约为6.5KHz，与您期望的在8位微控制器上仿真32位CPU和MMU相当。奇怪的是，系统一旦启动，就可以使用了。您可以输入命令并在一分钟内得到答复。也就是说，实际上您可以使用它。例如，我今天用它来格式化SD卡。这绝对不是最快的方法，但我认为它可能是_最便宜_，最慢_，_最容易组装的_，_最低的零件数量_和_最低端的 Linux PC。该板是用电线手工焊接的，甚至不需要印刷电路板。

有关仿真器的详细信息

该仿真器是非常模块化的，可以随意扩展以仿真其他SoC和硬件配置。仿真的CPU是ARMv5TE。前一阵子，我开始支持ARMv6，但是由于不需要，它从未完成（如代码所示）。仿真的SoC是PXA255。由于设计的模块化，您可以替换SoC.c并使用相同的ARMv5TE内核制造一个全新的SoC，或者替换该内核，或者随意替换外围设备。这是有目的的，因为我的意思是该代码也可以作为ARM SoC工作原理的合理清晰演示。CPU模拟器本身的代码不太干净，因为它是一个CPU模拟器。它是几年前写的超过6个月的空闲时间，然后放在一边。最近专门针对该项目复活了它。仿真器实现了一个i-cache来加快处理速度。AVR上有很多功能，与我的外部RAM不同，AVR可以以每秒5兆字节的速度访问内部存储器。我从来没有实现过d-cache，但是它在待办事项列表中。对块设备的访问未模拟为SD设备。事实证明这太慢了。相反，我编写了一个半虚拟化的磁盘设备（pvdisk，请参阅pvDisk.tar.bz2，GPL许可证），该设备使用无效的操作码来调用仿真器并访问磁盘。我映像中的ramdisk加载了该pvdisk，然后将chroots加载到/ dev / pvd1。ramdisk作为“ rd.img”包含在内。我使用的“机器类型”是PalmTE2。为什么？因为我对硬件非常熟悉，所以它是我看到的第一个pxa255机器类型。

超级终端？

您可以使用特殊的操作码向仿真器请求一些服务。在手臂上是0xF7BBBBBB，在拇指上是0xBBBB。选择它们是因为它们在ARM保证未定义的范围内。在R12中传递超级调用号，在R0..R3中传递参数，将返回值放置在R0中。来电：

• 0 =停止仿真
• 1 =打印十进制数
• 2 =打印字符
• 3 =获取滑枕尺寸
• 4 =块设备操作（R0 =操作R1 =扇区编号）。请注意，它们不写仿真RAM，而是填充仿真器内部缓冲区，仿真来宾使用另一个超级调用（每次一个字）访问该缓冲区。我本来打算实现DMA，但从未尝试过。操作：
  • 0 = getInfo（如果扇区num为零，则返回num个扇区；如果扇区num为1，则返回以字节为单位的扇区大小）
  • 1 =扇区读取
  • 2 =扇区写入
• 5 =块设备缓冲区访问（R0 =值输入/值输出，R1 =字号，如果写则R2 = 1，否则为0）

支持Thumb？

完全支持Thumb。不过，我作弊了一点，将每个thumb指令解码为等效的ARM指令，然后使用arm模拟器功能执行该指令。它没有其他方法快，但是它很简单并且代码很小。可以使用256KB的查询表，但是我觉得256KB对于微控制器的闪存来说太大了。有些thumb指令不能转换为ARM，而是可以正确处理。

自己建立

出于非商业目的，您绝对可以这样做。接线如下。RAM DQ0..DQ7-> AVR C0..C7。RAM A0..A7-> AVR A0..A7。RAM A8..A11-> AVR B0..B3。RAM nRAS nCAS nWE-> AVR D7 B4 B5。SD DI SCK DO-> AVR B6 B7 D6。LED读写-> AVR D2 D3（LED的另一脚接地）。按钮-> AVR D4（另一条腿接地）。内存可以是任何30针16MB SIMM，并且可以每64ms进行4K周期的CAS-RAS刷新之前的CAS。我所用的（OWC）可以在线购买，价格为几美元。原理图如图所示。点击查看大图  

源代码？

有点混乱，但确实有效。趁热获取：LINK。许可证对于非商业用途，只要您将许可证文件与源保持在一起并发布所有更改，如果用于商业用途，请与我联系，我们会达成协议。要构建仿真器以在PC上进行尝试，请键入“ make”

• 使用“ ./uARM DISK_IMAGE”。要构建优化的PC版本，
• 使用“ make BUILD = opt”。为AVR构建，
• 使用“ make BUILD = avr”。它目前针对ATmega1284p。
• 要以ATmega644为目标，除了更改makefile之外，还要减少icache.h中的数字，以使icache足够小以适合644中的内部RAM。归档文件中还包括1284p的最终十六进制文件。

启动过程

为了节省AVR中的代码空间，仿真器中几乎没有启动代码。实际上，“ ROM”总共有50个字节：8个字节可切换到拇指模式，还有一些拇指代码可读取SD卡的第一个扇区并以拇指模式跳至该扇区（请参见EmbeddedBoot.c）。SD卡的MBR具有另一个引导加载程序（以拇指模式编写）。这一节着眼于MBR，找到了活动分区并将其内容加载到RAM的末尾。然后，它跳转到目标ram地址+ 512（请参阅mbrBoot.c）。这里有第三大引导加载程序ELLE（请参阅ELLE.c）。这将重定位虚拟磁盘，设置ATAGS，然后调用内核。提供所有二进制文件和源文件，以便您可以随意制作自己的图像。引导过程应让人联想到PC引导。:)包含的mkbootimg。sh工具可用于制作启动分区的工作映像。完整的工作磁盘映像？链接。  

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