Портирование Genode OS Framework на новую аппаратную платформу

Краткая история микроядерных ОС и описание наиболее известных проектов недавно были описаны моим коллегой sartakov в статье "Микроядра и FOSDEM’13". Я хочу рассказать более подробно о Genode OS Framework и процессе портирования его на новую аппаратную платформу на базе процессора архитектуры ARM. В качестве ядра для Genode использовал Fiasco.OC.

И так, что такое Genode OS Framework? Это фреймворк для построения операционной системы на базе микроядра. Genode предоставляет единый API, позволяющий использовать различные микроядра для построения ОС. На данный момент поддерживаются следующие микроядра: Codezero, Fiasco, Fiasco.OC, Nova, OKL4, Pistachio. Также поддерживается работа на ядре Linux. Кроме этого, возможен запуск без использования сторонних ядер (base-hw) на некоторых платформах на базе архитектуры ARM.
Эти ядра поддерживают разные архитектуры процессоров и могут использовать некоторые аппаратные возможности. Например, ядро Fiasco.OC может работать на большом количестве архитектур, таких как: x86, amd64, ARM (доступны и другие архитектуры, но их поддержка не используются в Genode на данный момент), а ядро Nova является микрогипервизором для архитектуры x86 и позволяет использовать аппаратную виртуализацию. Благодаря использованию фреймворка Genode мы можем без изменений исходного кода компилировать приложение для использования на любом из поддерживаемых ядер.
Более подробную информацию о Genode можно получить из документации, размещенной на сайте проекта, а также из материалов, прочитаных Norman Feske для "Летней школы системного программирования Ksys labs"

В настоящее время Genode+Fiasco.OC для архитектуры ARM поддерживает следующие платформы: Realview PBXA9, Versatile Express A9X4, Pandaboard (TI OMAP4), Freescale iMX53, Arndale (Samsung Exynos 5). Все эти отладочные платы имеют довольно большую стоимость, а некоторые, вообще, очень трудно приобрести. Сейчас имеется множество одноплатных ПК с ценой менее 100$, которые используются энтузиастами и как отладочные платы для изучения ОС, и как основа для прототипирования и изготовления своих устройств. На эти устройства обычно портирован Linux и на некоторые даже имеется документация в открытых источниках. Хорошая статья с обзором доступных устройств "Выбираем мини компьютер для домашнего творчества (DIY)". Некоторые платформы описаных плат уже поддерживаются ядром Fiasco.OC и не требуют портирования.

Как вы уже, наверно, догадались по фотографии в начале поста, в качестве платформы для портирования я использовал мини-ПК Cubieboard на базе SoC Allwinner A10.
Эта платформа интересна по ряду причин:
— не слишком устаревшая архитектура Cortex-A8;
— наличие исходного кода загрузчика U-Boot, ядра Linux и наличие «утекшей» в сеть документации в виде руководства пользователя;
— большой набор переферии (SATA, HDMI, и др.);
— наличие большого количества недорогих «hackable» устройств на этом чипе (Cubieboard, Mele A1000/A2000, и другие).

Рассмотрим этот SoC более подробно.

CPU: ARM Cortex-A8 с частотой до 1Ghz с поддержкой NEON, VFPv3, Trustzone
GPU: Mali 400 MP с поддержкой Open GL ES 2.0
VPU: CedarX с поддержкой FullHD видео.
Переферия: 4xUSB Host, USB OTG, 4xSD/MMC, 8xUART, 4xSPI, 3xI2C, GPIO, SATA, HDMI, LCD-интерфейс и другие

Ядро Fiasco.OC поддерживает архитектуру процессоров Cortex-A8. Это значит, что для портирования его на новую платформу нужно только добавить поддержку платформы, так называемый Board Support Package (BSP). Исходный код BSP расположен в директории kernel/fiasco/src/kern/arm/bsp.
В состав BSP для архитектуры ARM в Fiasco.OC входит:
— драйвер контроллера прерываний;
— драйвер таймера;
— драйвер UART;
— реализация сброса.
Кроме этого, в состав BSP входит конфигурация распределения памяти.
Память в A10, согласно руководству пользователя, распределяется следующим образом:

Для того, чтобы ОС могла использовать память, она должна знать физические адреса. Эти параметры задаются в классе Mem_layout, файл mem_layout-arm-sun4i.cpp:

EXTENSION class Mem_layout { public:   enum Virt_layout_sun4i : Address {     Timer_map_base       = Devices1_map_base + 0x020C00,     Intc_map_base        = Devices1_map_base + 0x020400,     Uart_base            = Devices1_map_base + 0x028000,      Watchdog_map_base    = Timer_map_base    + 0x90,   };    enum Phys_layout_sun4i : Address {     Devices1_phys_base   = 0x01c00000,      Sdram_phys_base      = 0x40000000,     Flush_area_phys_base = 0xe0000000,   }; }; 

Контроллер прерываний необходим для обработки событий от различных источников. Драйвер контроллера прерываний используется для управления контроллером, выполняя такие операции как: конфигурация контроллера, маскирование прерываний, функция обработки. Код драйвера в файле pic-arm-sun4i.cpp.

Таймер необходим для генерации событий, таких как: конец тайм-слота или таймаут IPC. В A10 имеется 6 таймеров. В качестве таймера для переодических прерываний используется таймер Timer0. Кроме таймеров общего назначения в состав SoC также входят Watchdog и RTC с будильником. Для использования таймера в режиме системного он должен генерировать прерывание каждую 1 мс. Инициализация таймера и необходимые функции реализованы в файле timer-arm-sun4i.cpp.

Драйвер UART используется ядром для вывода отладочных сообщений и доступа к отладчику ядра JDB. В Fiasco.OC инициализация модуля UART отсутсвует, считается, что его уже настроил загрузчик, в нашем случае — U-Boot. Код драйвера UART находится в файлах uart-arm-sun4i.cpp и kernel/fiasco/src/lib/uart/uart_sun4i.cc.

Для выполнения полного сброса процессора применяется Watchdog таймера, назначением которого является сброс системы при зацикливании кода. Реализация находится в файле reset-arm-sun4i.cpp.

После выполнения этих действий мы получаем BSP для выбраного процессора. Но ядро еще нужно загрузить. Рассмотрим процесс загрузки Genode+Fiasco.OC на архитектуре ARM:

1. При старте ROM-boot ищет загрузчик на SD-карте или загружается с NAND при отсутсвии SD-карты.
2. U-Boot, выполняя стартовые скрипты, загружает образ Genode в виде ELF или u-boot-image.
3. Загруженный модуль содержит в себе ядро Fiasco.OC и все остальные исполняемые файлы, такие как: sigma0, root task (в Genode это модуль core) и пользовательские программы.
4. Первым стартует bootstrap, который выполняет часть операций неоходимых для старта ядра, такие как:
— сканирование доступной памяти (выполняется не для всех архитектур, на ARM значение доступной памяти задается в конфигурации на платформу);
— перемещение модулей в памяти (sigma0 и root task должны быть расположены в определенных регионах, чтобы ядро при старте могло их запустить);
— и непосредственно запуск ядра.
7. Ядро выполняет необходимую инициализацию системы, запускает sigma0 и root task.
8. Начинает выполняться модуль core (являющийся root task), который инициализирует сервисы Genode и позволяет запускать необходимые нам приложения, используя конфигурационный файл.

Соответсвенно для запуска bootstrap на Cubieboard он должен знать об этой платформе, поэтому добавляем нужную конфигурацию l4/mk/platforms/cubieboard.conf и l4/pkg/bootstrap/server/src/platform/sun4i.cc. Кроме этого необходимо реализовать драйвер UART для вывода информации о загрузке в консоль.

Заключительный этап портирования — добавление необходимых файлов конфигурации в сборочную систему Genode. Процесс несложный, описывать не буду, изменения можно посмотреть в соответвующем коммите в репозитории. Хорошее описание системы сборки было рассмотрено в лекции "Genode OS Framework Programming Environment".

Исходные коды находятся на Github https://github.com/Ksys-labs/genode в ветке tutorials. Модифицированная версия Fiasco.OC в репозитории https://github.com/Ksys-labs/foc в ветке r47-sun4i, эти исходные коды уже содержат необходимые патчи и скачиваются с помощью системы сборки Genode.

Для сборки необходимо клонировать исходный код:

git clone git://github.com/Ksys-labs/genode.git git checkout tutorials cd genode 

Собрать тулчейн для ARM:

./tools/tool_chain arm 

И скачать ядро Fiasco.OC:

make prepare -C base-foc 

Теперь все готово для запуска.
1. Создаем директорию для сборки, используя команду:

./tools/create_builddir foc_cubieboard BUILD_DIR=_build.foc_cubieboard cd _build.foc_cubieboard 

2. Добавляем репозиторий hello_tutorial для сбоки простейшего сценария, которому не требуются отсутсвующие пока драйверы.

echo 'REPOSITORIES += $(GENODE_DIR)/hello_tutorial' >> etc/build.conf 

3. Включаем генерацию файла u-boot-image

echo 'SPECS += uboot' >> etc/spec.conf 

4. Cобираем образ

make run/hello 

После непродолжительной сборки получаем образ в виде: ELF (hello.elf) и u-boot-image (uImage) в директории var/run/hello.
После запуска на устройстве, в подключенной консоле, можно увидеть процесс загрузки и выполняющиеся приложения из hello tutorial:

Как видите, портировать микроядро на новую архитектуру совершенно не сложно. Конечно, как я писал выше, для использования микроядер в реальных проектах, все упирается в поддержку аппаратного обеспечения платформы. Например, при изготовлении прототипов устройств на базе Pandaboard и Gumstix Overo нам пришлось добавить множество драйверов, таких как: GPIO, UART, SPI, I2C. Эти интерфейсы требовались для работы с ЖКИ, тачскрином и считывателем смарткарт. Для использования Cubieboard, как мини-ПК с Genode, как минимум, необходимо написать (или портировать) драйверы: Framebuffer, USB, Ethernet.

Genode Labs планирует построить современную ОС на базе своего фреймворка и они уверенно двигаются в этом направлении. Это очень интересный открытый проект, связаный с альтернативными ОС. Genode не сильно требователен к ресурсам, и по моему мнению, одноплатные ПК на архитектуре ARM вполне могут использоваться, как одна из дешевых платформ для этой ОС.

Кроме этого, Genode отлично подходит для обучения в области Computer Science, и если вы студент и вам это интересно, вы можете присоединиться к нам. Для этого нужно посмотреть первые три лекции (1,2,3) и выполнить из них задания. Решение нужно выложить на Github и прислать ссылку на почту edu@ksyslabs.org.