手把手带你做LiteOS的树莓派移植

三叶草

摘要：树莓派是英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发的一款基于arm的微型电脑主板。本文介绍基于LiteOS的树莓派移植过程。

本文分享自华为云社区《2021 LiteOS树莓派移植指南(一)》，作者： Lionlace 。
树莓派是英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发的一款基于arm的微型电脑主板。本文介绍基于LiteOS的树莓派移植过程。
硬件信息
开发板：Raspberry Pi 2 Model B（树莓派2B）
CPU：Broadcom BCM2836
主频：900MHz
内存：1GB
GPU：VideoCore IV GPU
移植准备
  硬件环境
本实验使用了Raspberry Pi 2 Model B开发板、USB转TTL模块、SDcard和读卡器。
软件环境

  

• 本实验需要先按照码云上的LiteOS教程搭建好linux环境（make、arm-none-eabi编译工具链）。环境搭建教程：https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/blob/master/doc/LiteOS_Build_and_IDE.md  
  
• 本实验需要下载官方的镜像制作工具（Raspberry Pi Imager），下载地址：https://www.raspberrypi.org/software/
  

  移植步骤
  创建目录结构
在targets目录下新增Raspberry_Pi2B目录，参考与cortex-A7架构差异较小的realview-pbx-a9的启动流程进行移植。

  

• 将realview-pbx-a9目录下的reset_vector.S和main.c拷贝到Raspberry_Pi2B目录下并将reset_vector.S重命名为los_startup_gcc.S。  
  
• 将realview-pbx-a9目录下的board.ld和liteos.ld中内容合并到Raspberry_Pi2B目录下liteos.ld文件中。  
  
• 拷贝realview-pbx-a9目录下include、os_adapt文件夹到Raspberry_Pi2B目录下，并删除不需要的dma相关头文件include/asm/dma.h。
  

  关闭SMP和MMU
在los_startup_gcc.S文件中增加关闭SMP和MMU的代码。

  

• 关闭SMP功能
  

  

mrc p15, 0, r0, c1, c0, 1
bic r0, r0, #0x40
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 1

上表是ACTLR（Auxiliary Control Register）寄存器bit6功能描述信息，了解更多寄存器相关信息可以参考Cortex-A7 MPCore Technical Reference Manual。

  

• 关闭MMU的功能
  

  

mrc   p15, #0, r0, c1, c0, #0
bic   r0, r0, #1
mcr   p15, #0, r0, c1, c0, #0  @ clear mmu bit

上表是SCTLR （System Control Register）寄存器bit0功能描述信息，了解更多寄存器相关信息可以参考Cortex-A7MPCore Technical Reference Manual。

  

• 删除调用SMP相关函数
  

删除los_startup_gcc.S中的enable_scu和secondary_cpu_start。
使能FPU/ENON
  配置FPU/NEON：
  

/* enable fpu+neon */
LDR   r0, =(0xF << 20)
MCR   p15, 0, r0, c1, c0, 2
MOV   r3, #0x40000000
VMSR  FPEXC, r3

以上前两行代码用于设置CP10和CP11的访问权限，后两行用于设置寄存器FPEXC的EN位来使能FPU。
注：在arm的协处理器设计中，最多可以支持16个协处理器，通常被命名为cp0～cp15。

上表为寄存器CPACR bit20-23功能描述信息，了解更多寄存器相关信息可以参考Cortex-A7 MPCore Technical Reference Manual。
修改链接脚本
树莓派启动时首先加载SD卡中的start.elf文件，该程序会读取SD卡中的config.txt文件内容，该文件记录了一些配置信息。如果没有设置启动地址和启动文件，则默认会加载kernel8.img文件，该文件是aarch64编译的程序，启动地址为0x80000。如果SD卡中无kernel8.img镜像文件，则会加载kernel7.img镜像文件，该文件是32位编译器编译的程序，启动地址为0x8000。树莓派2B的cpu是32位架构，因此设置liteos.ld文件中启动地址为0x8000。
栈初始化
树莓派2B启动文件los_startup_gcc.S中只设置了SVC模式的sp寄存器，新增cpuInit函数来初始化其他模式的sp指针。如下所示：

VOID cpuInit(VOID)
{
  __asm__ (
  "msr  cpsr_c, %1\n\t"
  "mov  sp,   %0\n\t"
  "msr  cpsr_c, %3\n\t"
  "mov  sp,   %2\n\t"
  "msr  cpsr_c, %5\n\t"
  "mov  sp,   %4\n\t"
  "msr  cpsr_c, %7\n\t"
  "mov  sp,   %6\n\t"
  "msr  cpsr_c, %8\n\t"
    :
    : "r" (__irq_stack_top),
      "I" (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | CPSR_IRQ_MODE),
      "r" (__abt_stack_top),
      "I" (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | CPSR_ABT_MODE),
      "r" (__undef_stack_top),
      "I" (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | CPSR_UNDEF_MODE),
      "r" (__fiq_stack_top),
      "I" (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | CPSR_FIQ_MODE),
      "I" (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | CPSR_SVC_MODE)
    : "r14");
}

  配置动态内存地址
  

#define OS_SYS_MEM_ADDR    ((void *)(&__bss_end))
#define LOS_HEAP_ADDR_END    (void*)(0x0 + 4 * 1024 * 1024)
#define OS_SYS_MEM_SIZE    (UINT32)(((UINT32)LOS_HEAP_ADDR_END - (UINT32)OS_SYS_MEM_ADDR + (64 - 1)) & ~(64 - 1))

以上代码定义OS_SYS_MEM_ADDR为动态内存起始地址，LOS_HEAP_ADDR_END为动态内存结束地址，OS_SYS_MEM_SIZE为动态内存大小。
串口实现
树莓派2B原理图引出了mini_uart串口TXD0、RXD0，对应的引脚为GPIO14、GPIO15，如下图所示：

创建usart.c和usart.h文件，在usart.c中编写串口初始化函数UartInit，并实现uart_debug.c文件中uart_getc、uart_hwiCreate、uart_write接口，实现printf函数从串口输出。
适配中断
树莓派2B的中断属于bcm特定的中断控制器。在drivers/interrupt目录下新增arm_control.c文件，并在该文件中实现HwiControllerOps结构体内的回调函数。

STATIC const HwiControllerOps g_armControlOps = {
  .enableIrq    = HalIrqUnmask,
  .disableIrq   = HalIrqMask,
  .getCurIrqNum   = HalCurIrqGet,
  .getIrqVersion  = HalIrqVersion,
  .getHandleForm  = HalIrqGetHandleForm,
  .handleIrq    = IrqEntryArmControl,
  .clearIrq     = HalIrqClear,
  .triggerIrq   = HalIrqPending,
};

以上表格是interrupt寄存器偏移地址，读者想了解详细寄存器相关信息请参考官方芯片手册。
适配systick
树莓派2B通过Timer(arm side)来触发systick中断。具体操作细节请参考文件：drivers\timer\rasp_systick.c。

/* systime=250000000 */
timer->preDivider = (OS_SYS_CLOCK / OS_SYS_US_PER_SECOND - 1);
timer->reload   = 0;  
timer->load   = 0;  
timer->IRQClear = 0;  
timer->control  = 0;  
timer->reload   = LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;  
timer->load   = LOSCFG_BASE_CORE_TICK_PER_SECOND;  
/* 23-bit counter, enable interrupt, enable timer */  timer->control = (1 << 1) | (1 << 5) | (1 << 7);  
UINT32 ret = LOS_HwiEnable(ARM_TIMER_INI);

以上代码配置定时器Timer为每1ms触发一次systick中断。

以上是Timer寄存器偏移地址，读者想了解详细寄存器相关信息请参考官方芯片手册。
配置编译
  在targets目录下新增kconfig.raspberry文件：
  

ConfigLOSCFG_PLATFORM
  config LOSCFG_PLATFORM
  string
  default "Raspberry_Pi2B"    if LOSCFG_PLATFORM_Raspberry_Pi2B
choice
  prompt "Board"
  depends on LOSCFG_FAMILY_RASPBERRY
  default LOSCFG_PLATFORM_Raspberry_Pi2B
  help
    Raspberry_Pi2B
config LOSCFG_PLATFORM_Raspberry_Pi2B
  bool "Raspberry_Pi2B"
  select LOSCFG_ARCH_CORTEX_A7
  select LOSCFG_USING_BOARD_LD
  select LOSCFG_PLATFORM_ARM_CONTROL
  select LOSCFG_Raspberry_Pi2B_SYSTICK
endchoice

  修改Makefile文件
分别修改以下路径Makefile（详情请参考gitee仓库对应文件）：driver/timer/Makefiledriver/interrupt/Makefiletargets/Raspberry_Pi2B/Makefile
添加.img生成指令
在根目录下Makefile中添加指令$(OBJCOPY) -O binary $(OUT)/$@.elf $(OUT)/kernel7.img，用来将生成的elf文件转换生成kernel7.img文件。
制作启动SDcard

  

• 使用Raspberry Pi Imager工具制作Raspberry Pi系统。
  

Raspberry Pi Imager 下载链接：https://www.raspberrypi.org/software/

  

• 将编译生成的kernel7.img文件替换掉SDcard中kernel7.img文件。  
  
• 将写入镜像文件的SDcard插入树莓派2B中并上电，树莓派2B即可运行LiteOS系统。运行结果如下：
  

  

********Hello Huawei LiteOS********
LiteOS Kernel Version : 5.1.0
build data : Jul 13 2021 16:40:42
**********************************
OsAppInit
cpu 0 entering scheduler
app init!
Hello, welcome to liteos demo!
Huawei LiteOS #

至此，LiteOS系统成功启动和运行。该移植工程已经在Gitee LiteOS社区上线，相关代码链接地址为：https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/tree/master/targets/Raspberry_Pi2B
参考文献链接

[1] Raspberry Pihardware - Raspberry Pi Documentation：https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/README.md

[2] 树莓派官方芯片手册：

https://datasheets.raspberrypi.org/bcm2835/bcm2835-peripherals.pdf

[3] Cortex-A7 MPCore Technical Reference Manual：

https://developer.arm.com/documentation/ddi0464/f?lang=en

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