Установка Linux на ARM. Подробная пошаговая инструкция и советы
Установка Linux на ARM — это довольно интересная тема. Даже принимая только то, что это довольно-таки необычно. Почему необычно? П отому что в ARM-процессорах совсем другая архитектура, чем у тех, для которых рассчитано большинство дистрибутивов Линукс.
Для тех , кто не знает, ARM — архитектура маленьких микр оп роцессоров. Если простым языком, то это архитектура процессора у маленьких компьютеров или мобильных телефонов. Поэтому вопрос : вы часто видели Linux на смартфоне (процессоре ARM)?
Основная масса больших и привычных ПК имеют архитектуру х86 или AMD64. Данные процессоры рассчитаны на трудо- и ресурсоемкие задачи:
- редактирование фотографий;
- редактирование музыки или видео;
- работа с базой данных;
- программирование и т.д .
Но в т о ж е время ARMка имеет более низкое энергопотребление при должной производительности, а это как раз очень важно для небольших устройств. И поэтому она распространена в «маленьких» устройствах.
Какие операционные системы подходят для ARM?
В принципе на ARM — устройствах можно запустить любую операционную систему, которая была скомпилирована под данную архитектуру. Поэтому обычные Линукс версии, которые мы уже привыкли наблюдать на своих ПК , просто не подойдут , д аже если они легковесны и подходят по другим параметрам. Но в т о ж е время в сети можно найти приличное количество уже «готовых» дистрибутивов Linux для ARM — процессоров. Ярким представителем является известный всем Android, из менее известных, но популярных — Kali Linux.
Кстати, а вы знали, что популярный Android мегакорпорации Google — это всего лишь «операционка» на основе ядра Linux ? Пр ит ом, что Андроид является самой популярной операционной системой для мобильных телефонов — этот факт, как видите, малоизвестен. Но вообще нужно понимать, что Linux здесь является всего лишь «ядром». А ядро — это всего лишь основной функционал, предполагающий использование устройствами опций аппаратной системы, драйверов, управления, утилиты для командной строки и др. Семейство Linux подразумевает совокупность всех операционных систем, использующих его ядро, но это не есть самостоятельное ядро. Различие всем системам «семейства» придает графическая оболочка, но это совсем другая история. Однако возможность использовать эти ОС без графической оболочки, а только через текстовую командную строку, расширяют сферу их применения. Именно поэтому их можно «заметить» в необычных местах:
- в сетевом оборудовании;
- в производственных станках;
- в начинке самолета или автомобиля;
- даже в современных стиральных машинах.
Итак, из семейства Linux для ARM можно подобрать конфигурации у следующих дистрибутивов:
- Debian. Это одна из самых старых версии Линукса, большое сообщество, много программ , написанных для этой системы, стабильность работы и мн.др. Его можно «найти» практически везде, также и в ARM — процессорах.
- Ubuntu. Кто не слышал о б Убунту, тот не слышал о Линукс. С читается , что у него бо л ее продвинутое интерфейсное оформление, чем у Дебиан, да и вообще он сам более продвинутый. Встречается в ARM — процессорах, но совсем недавно анонсирована Ubuntu Phone — специальная ОС для смартфонов, которая будет призвана конкурировать с Android. Проект анонсирован, но пока должного «движения» не замечено.
- Kali, Arch, Gentoo и др. , и каждый со своей отличительной особенностью , и каждый используется в ARM — системах.
На самом деле , этот список можно продолжать очень долго, потому что прогресс не стоит на месте, а земля наша слави тся умельцами. И многие разработчики «подтачивают» тот или иной дистрибутив Linux под ARM — процессор.
Установка Linux на ARM — устройство
Как правило, приобретая какое-либо устройство на ARM — процессоре, вы его получаете уже с предустановленной ОС. Чаще всего на таких устройствах идет Android. Допустим, вы все равно хотите установить Linux на это ARM — устройство. Тогда у вас есть 2 пути:
- Полноценная «перепрошивка» на «чистое железо» ;
- Установка «внутри» или «рядом» с Android (или другой системы, суть от этого не меняется).
При полной «перепрошивке» вы потеряете весь предустановленный производителем функционал. Вряд ли это будет то, чего вы добиваетесь. Поэтому тут можно воспользоваться вторым способом и установить Linux, не удаляя основную операционную систему вашего устройства. Для этого нужно будет настроить запуск chroot-окружения внутри Андроид. Но зато на выходе вы получите 2 параллельно установленные операционные системы и сможете использовать то одну, то другую. С т ак им подход ом можно поэкспериментировать на смартфонах или планшетах, где есть экран. А на простых безэкранных устройствах с таким способом могут возникнуть трудности.
Советы при установки Linux на ARM — устройство
На самом деле , совет будет один. Подумайте , прежде чем устанавливать Linux на свое ARM — устройство, тем более если на нем уже предустановлена производителем ОС. Потому что это не что иное , как хакинг — то есть преднамеренно е вмешательство в работу операционной системы. И никто , кроме вас , разделять риски работы устройства не будет.
Сама технология установки Linux на ARM еще в довольно «сырой» форме. Да, есть какие-то наработки и отдельные дистрибутивы. Есть умельцы, которые делают это и говорят, что это круто. Но в целом материала и стабильности в этом мало. Это не касается тех устройств, в которых Linux предустановлен производителем!
Но в т о ж е время четко вырисовывается тенденция, что за ARM — процессорами будущее. Этому свидетельствует даже тот факт, что первое место в рейтинге суперкомпьютеров ТОП — 500 в 2021 году с большим отрывом по производительности от конкурентов занимает машина на ARM — процессорах!
У ARM — процессоров масса преимуществ , поэтому, скорее всего , в обозримом будущем они будут стоять на наших персональных компьютерах. А это значит, что Linux на ARM — устройстве не будет диковинкой! А нужно ли вам это сейчас — решать вам.
Мы будем очень благодарны
если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.
Источник
ARM-ы для самых маленьких
Пару дней назад я опубликовал и потом внезапно убрал в черновики статью о плане написать про создание своей ОС для архитектуры ARM. Я сделал это, потому что получил много интересных отзывов как на Хабре, так и в G+.
Сегодня я попробую подойти к вопросу с другой стороны, я буду рассказывать о том, как программировать микроконтроллеры ARM на нарастающих по сложности примерах, пока мы не напишем свою ОС или пока мне не надоест. А может, мы перепрыгнем на ковыряние в Contiki, TinyOS, ChibiOS или FreeRTOS, кто знает, их там столько много разных и интересных (а у TinyOS еще и свой язык программирования!).
Итак, почему ARM? Возиться с 8-битными микроконтроллерами хотя и интересно, но скоро надоедает. Кроме того, средства разработки под ARM обкатаны долгим опытом и намного приятнее в работе. При этом, начать мигать светодиодами на каком-то «evaluation board» так же просто, как и на Arduino.
Небольшой экскурс в архитектуру
ARM продвигает замечательную архитектуру, которую успешно лицензирует, мне на самом деле сложно представить, в каком устройстве нет никакого присутствия продуктов этой компании. В вашем смартфоне гарантированно есть несколько ядер на базе архитектуры ARM. Еще парочка найдется в современном ноутбуке (и это даже не CPU, а так, сопутствующий контроллер какой-либо периферии), еще несколько – в автомобиле. Есть они и в других бытовых вещах: микроволновках и телевизорах.
Такая гибкость достигается тем, что в самом базовом варианте ядро ARM очень простое. Сейчас существуют три разновидности этой архитектуры. Application применяется в устройствах «общего назначения» – как основной процессор в смартфоне или нетбуке. Этот профиль самый навороченный функционально, тут есть и полноценный MMU (модуль управления памятью), возможность аппаратно выполнять инструкции Java bytecode и даже поддержка DRM-схем. Microcontroller – это полная противоположность профилю application, применяемая (внезапно!) для использования в микроконтроллерах. Тут актуально минимальное энергопотребление и детерминистическое поведение. И, наконец, real-time используется как эволюция профиля microcontroller для задач, где критично иметь гарантированное время отклика. Все эти профили получили реализацию в одном или нескольких ядрах Cortex, так, например, Cortex-A9 основан на профиле application и является частью процессора в iPhone 4S, а Cortex-M0 основан на профиле microcontroller.
Железки!
В качестве целевой платформы мы будем рассматривать работу с Cortex-M, так как она самая простая, соответственно, надо вникать в меньшее количество вопросов. В качестве тестовых устройств я предлагаю вам LPC1114 – MCU производства NXP, схему на котором можно собрать буквально на коленке (нет, правда, вам нужен только сам MCU, FTDI-кабель на 3,3 В, несколько светодиодов и резисторов). LPC1114 построен на базе Cortex-M0, так что это будет самый урезанный вариант платформы.
В качестве альтернативного варианта мы будем работать с платформой mbed, а конкретно, с моделью на базе LPC1768 (а значит, внутри там Cortex-M3, несколько более навороченный). Вариант уже не настолько бюджетный, но процесс заливки бинарников на чип и отладки упрощен максимально. Да и можно поиграться с самой платформой mbed (вкратце: это онлайн-IDE и библиотека, с помощью которой можно программить на уровне ардуины).
Приступим
Интересной особенностью современных ARM-ов является то, что их вполне реально программировать целиком на С, без применения ассемблерных вставок (хотя ассемблер не так уж и сложен, у Cortex-M0 всего 56 команд). Хотя некоторые команды в принципе не доступны из С, эту проблему решает CMSIS – Cortex Microcontroller Software Interface Standard. Это драйвер для процессора, который решает все основные задачи управления им.
Как же загружается процессор? Типична ситуация, когда он просто начинает выполнять команды с адреса 0x00000000. В нашем случае процессор несколько более умный, и рассчитывает на специально определенный формат данных в начале памяти, а именно – таблицу векторов прерываний:
Старт выполнения программы происходит следующим образом: процессор читает значение по адресу 0x00000000 и записывает его в SP (SP – регистр, который указывает на вершину стека), после чего читает значение по адресу 0x00000004 и записывает его в PC (PC – регистр, который указывает на текущую инструкцию + 4 байта). Таким образом начинает выполняться какой-то код пользователя, при этом у нас уже есть стек, указывающий куда-то в память (т.е., все условия для выполнения программы на С).
В качестве тестового упражнения мы будем мигать светодиодом. На mbed у нас их целых четыре, в схему с LPC1114 (далее — «доска») мы устанавливаем светодиод вручную.
Перед тем как непосредственно писать код, нам надо выяснить еще одну вещь, а именно – что где должно располагаться в памяти. Поскольку мы не работаем с какой-то «стандартной» ОС, то компилятор (вернее, компоновщик) не может узнать, где у него должен быть стек, где сам код, а где — куча. К счастью для нас, у семейства ядер Cortex стандартизированная карта памяти, что позволяет относительно просто портировать приложения между разными процессорами этой архитектуры. Работа с периферией, конечно, остается процессорозависимой.
Карта памяти для Cortex-M0 выглядит вот так:
У Cortex-M3 она, по сути, такая же, но несколько более детальна. Проблема тут в том, что у NXP есть свой, отдельный взгляд на этот вопрос, так что проверяем карту памяти в документации на процессор:
На самом деле, SRAM у нас начинается с 0x10000000! Вот так, одни стандарты, другие стандарты, а все равно надо тома документации листать.
Вооружившись этими знаниями, идем писать код. Для начала – таблица прерываний:
Сохраним эту таблицу в boot.s . Тут, фактически, только одна ассемблерная вставка – функция hang, которая устраивает процессору бесконечный цикл. Все прерывания, кроме reset, указывают на нее, так что в случае непредвиденной ситуации процессор просто зависнет, а не пойдет выполнять непонятный участок кода.
Сама таблица должна бы быть длиннее, но на самом деле мы могли бы закончить ее еще после вектора Reset, остальные у нас не сработали бы в этом примере. Но, на всякий случай, мы заполнили таблицу почти целиком (кроме пользовательских прерываний).
Теперь напишем реализацию функции main:
У mbed первый светодиод подключен к порту GPIO 1.18, на доске мы подключили светодиод к GPIO 1.8. Одни и те же пины могут выполнять разные функции, эти по умолчанию работают именно как GPIO (General Purpose I/O – линии ввода/вывода общего назначения).
Код относительно прямолинеен, если держать под рукой LPC-шный User manual (один и второй). Для начала мы указываем режим работы GPIO через регистр GPIO_DIR_REG (у наших процессоров они в разных местах, да и вообще LPC1768 может работать с GPIO более эффективно), где 1 – вывод, 0 – ввод. Потом мы запускаем бесконечный цикл, в котором пишем в порт попеременно значения 0 и 1 (0 В и 3,3 В соответственно).
Функция для «паузы» у нас работает наугад, просто прокручивая относительно долгий цикл ( volatile int не дает компилятору выоптимизировать этот цикл целиком).
Наконец, все это нужно правильно скомпоновать:
Сценарий компоновщика объясняет ему, где у нас флеш, где оперативная память, какие у них размеры (тут используются размеры для LPC1114, так как у LPC1768 всего больше, сдвиги, к счастью, идентичны). После определения карты памяти мы указываем, какие сегменты куда копировать, .text (код программы) попадает в флеш, .bss (статические переменные, которых у нас пока нет) – в память. Помимо этого мы задаем два символа, которые использовали в boot.s: _stack_base – указывает на вершину стека и _boot_checksum (спасибо Zuy за уточнение!) – записывает чексумму загрузчика. Чексумма рассчитывается по формуле: дополнительный код (2’s compliment) от суммы полей выше (т.е. адреса стека, и всех прерываний до непосредственно чексуммы). Хотя утилиты для прошивки (см. далее) сами исправили бы чексумму на правильную, если бы мы прошивали бы код из самого приложения, то загрузиться снова мы бы уже не смогли.
Теперь у нас есть три файла: boot.s, main.c, mem.ld, пора это все скомпилировать и, наконец, запустить. В качестве тулчейна мы будем использовать GCC, позже, возможно, я покажу как делать то же с LLVM. Пользователям OS X я советую взять тулчейн у Linaro – в самом конце списка: Bare-Metal GCC ARM Embedded. Пользователям других ОС я советую взять тулчейн там же 🙂 (разве что гентушникам будет проще сэмержить crossdev и скомпилить GCC).
Интересный момент тут — это отключение использования всех стандартных библиотек у GCC. Действительно, весь код, который попадет в итоговый бинарник – это код, который написали мы сами.
Вопрос: как компоновщик знает, куда надо засунуть таблицу прерываний? А он и не знает, там не написано :-). Он просто линкует подряд, начиная с нулевого адреса, так что порядок файлов (boot.o, потом main-c0.o) очень важен! Попробуйте слинковать наоборот или слинковать boot.o два раза и сравните вывод в lst-файле.
Хорошая идея – посмотреть на итоговый листинг (файл lst) или закинуть бинарник в дизассемблер. Даже если вы не говорите на ARM UAL, то чисто визуально можно проверить, что хотя бы таблица прерываний находится на своем месте:
Еще можно обратить внимание на забавный момент – GCC при компиляции под Cortex-M3 генерирует функцию wait() больше, чем в варианте под Cortex-M0. Правда, если включить оптимизацию то она вправит ему мозги.
Мигаем!
Все что нам осталось – залить бинарники на наши тестовые платформы. С mbed тут все максимально просто, просто скопируйте blink-c3.bin на виртуальную флешку и нажмите reset (на mbed). С доской все немного сложнее. Во-первых, для того, чтобы попасть в загрузчик, нам нужен резистор между GND и GPIO 0.1. Во-вторых, необходима программа для непосредственно прошивки. Можно использовать Flash Magic (Win, OS X), можно использовать консольную утилиту – lpc21isp:
Процесс прошивки следующий:
- ставим резистор между j5 и j7 (10 кОм подойдет);
- нажимаем reset;
- запускаем lpc21isp;
- снимаем резистор;
- нажимаем reset еще раз – запускается приложение.
Если у вас есть возможность запустить примеры на разных устройствах, вы заметите, что скорость мигания на них не идентична. Это связанно с тем, что у разных устройств разная частота ядра, соответственно, wait() они выполняют за разное время. В следующей части мы изучим вопросы осцилляции детальнее и сделаем четкий отсчет времени.
Источник
