用ZYNQ MPSoC玩DOOM

首先，需要下載 Linux 內核，這樣我們隨后就可以構建 rootFS。我們使用 v4.3 標簽。

$ git clone -b v4.3 https://github.com/tor- valds/linux.git

下載 Buildroot 源文件，并更改到 Buildroot 目錄。

$ git clone https://git.buildroot.net/buildroot cd buildroot

現在我們需要配置 Buildroot，以構建可以使用的套件。

$ make menuconfig

我們選擇以下選項：

Target options ---> Target Architecture ---> AArch64 (little endian)

Target packages —> Games ---> prboom ---> [*]

Target packages —> Games ---> shareware Doom WAD file ---> [*]

應自動選擇全部所需的庫。

$ make # (這需要幾分鐘時間，取決于機器。)

現在，我們將所有 PrBoom 相關文件復制到 targetfs 目錄，確保我們在 buildroot 目錄下的 ./output/target/ 目錄。

$ for i in $(find ./-name ‘*oom*’); do cp ${i}

/doom_demo/targetfs/${i}; done

現在，我們完成了 Buildroot 操作。我們移到上一個目錄 doom_demo 目錄。

$ make # Build the host and guest rootFS.(這需要幾分鐘時間，取決于你的機器。)

注意：可能還存在額外配置選項，這主要取決于使用的內核版本。這些額外配置選項未被我們提供的配置預先選擇。使用默認選項即可(需點擊回車鍵)。

步驟 2：構建基礎設置

接下來，我們?yōu)槠脚_構建嵌入式系統軟件的剩余部分，包括引導裝載程序、ARM Trusted Firmware (ATF)、Linux 內核和設備樹。賽靈思的 PetaLinux 工具讓這個過程簡單直觀。我們創(chuàng)建一個針對賽靈思 ZCU102 開發(fā)板的 PetaLinux 項目。參考 2015.4 UG1144 和 AR#66249 中 QEMU 和 MPSoC PetaLinux 的快速入門材料。訪問china.xilinx.com ，將 ZCU102 BSP (板支持包)下載到

目錄下。

$ cd

$ petalinux-create --type project -s

/ Xilinx-ZCU102-v2015.4-final.bsp -- name doom_demo_zynqMP

這樣將在 /doom_demo_zynqMP 中創(chuàng)建我們的 PetaLinux 項目。

我們轉到 PetaLinux 項目，并構建 PetaLinux。

$ cd /doom_demo_zynqMP

$ petalinux-build

現在，我們需要為本用例手動編輯設備樹。

· 編輯 xen-overlay.dtsi 文件 (subsystems/linux/ configs/device-tree/xen-overlay.dtsi)。

· 將 dom0 下的 ‘reg = 0x0 0x80000 0x3100000>;’ 替換為 ‘reg = 0x0 0x80000 0x4100000>;’

· 將 dom0 下的 ‘xen,xen-bootargs = “console=dtuart dtuart=serial0 dom0_mem=512M bootscrub=0 maxcpus=1 time r_ slop=0”;’ 替換為 ‘xen,xen-bootargs = “console=dtuart dtuart=serial0 dom0_mem=512M bootscrub=0 maxcpus=4 timer_ slop=0”;’

· 將 dom0 下的 ‘xen,dom0-bootargs = “console=hvc0 earlycon=xen earlyprintk=xen maxcpus=1”;’ 替換為 ‘xen,dom0-bootargs = “rdinit=/bin/sh console=hvc0 earlycon=xen earlyprintk=xen maxcpus=4”;’

· 編輯 zynqmp.dtsi 文件 (subsystems/linux/configs/ device-tree/zynqmp.dtsi)。

· 將 dom0 下的 ‘compatible = “cdns,uart-r1p12”;’ 替換為 ‘compatible = “cdns,uart-r1p8”, “cdns,uart-r1p12”;’ 現在，手動構建 Xen 設備樹。

$ dtc -I dts -O dtb -i ./subsystems/linux/con- figs/device-tree/ -o ./images/linux/xen.dtb ./ subsystems/linux/configs/device-tree/xen.dts

最后，我們需要將 Peta- Linux 構建的 rootFS 替換為我們此前構建的 rootFS。之所以這樣做，是因為 PetaLinux 不包含 PrBoom，因為我們提供自己的 rootFS。我們還需要將 xen.ub 鏡像替換為賽靈思預先構建的鏡像，因為 Xen 和 Xen 工具版本必須匹配。

$ rm /doom_demo_zynqMP/images/linux/ Image rm /doom_demo_zynqMP/images/ linux/xen.ub

$ cp /doom_demo/Image /doom_ demo_zynqMP/images/linux/Image cp / doom_demo/xen.ub/doom_demo_zynqMP/im- ages/linux/xen.ub

使用 u-boot 引導加載程序引導。

$ petalinux-boot --qemu --u-boot --qemuargs= “- net nic -net nic -net nic -net nic -net us- er,net=192.168.129.0,dhcpstart=192.16 8.129.50,host=192.168.129.1,hostfwd=t cp:127.0.0.1:5900-192.168.129.50:5900”

> setenv serverip 192.168.129.1

> tftpb 4000000 xen.dtb; tftpb 0x80000 Image; tftpb 6000000 xen.ub; bootm 6000000 - 4000000

# /boot.sh

# /xen-doom.sh 1

步驟 3：開始演示

現在，我們可以打開虛擬網絡計算 (VNC) 查看器，并在運行 QEMU 的機器上連接 localhost:5900 以觀看 Doom 游戲。(注意：以上命令行只能重定向 5900 端口，因此當開始演示時只能連接到第一個 Doom 實例。如果想連接多個實例，需要為 QEMU 添加更多 hostfwd 變量，并連接到下個可用的端口[5901 用于下個實例，5902 用于第三個實例，以此類推]，然后將這些實例連接。)

一旦 Doom 啟動，你就可以使用鍵盤和鼠標控制游戲。應記住，可能需要點擊 ESC 鍵來開始游戲。還應記住，你已經很長時間沒玩 Doom 游戲了，因此你可能走不了多遠。別氣餒。使用自己構建的系統絕對”可行”。

XEN 深入探討

正如”Zynq MPSoC 獲得 Xen 管理程序支持”(賽靈思中國通訊，第 93 期)中所介紹， Type 1 管理程序在本機硬件上運行，Type 2 管理程序不是軟件的最底層，而是托管在 OS 上。Xen 屬于 Type 1 管理程序(圖 4)。

圖 4：作為 Type 1 管理程序，Xen 在本機硬件上運行，虛擬機在 Xen 之上運行 (來源：”帶虛擬化擴展的 Xen ARM” 白皮書)。

以前，我們提到了虛擬處理器(也稱虛擬機)。在 Xen 中，這些被稱為域。特權最高的域被稱為 Dom0;無特權的客戶域是 DomU 域。

Dom0 是 Xen 管理程序在引導時創(chuàng)建的初始域。它是特權域，并驅動平臺上的設備。Xen 將 CPU、存儲器、中斷和定時器虛擬化，為虛擬機提供一個或多個虛擬 CPU、系統存儲器的一部分、一個虛擬中斷控制器和一個虛擬定時器。除非配置為其他方式，否則 Dom0 可直接訪問所有設備并驅動它們。Dom0 還運行一組名為半虛擬化 (PV) 后端的驅動，為無特權虛擬機提供對磁盤、網絡等設備的訪問權。Xen 提供用于發(fā)現和初始通信設置的所有工具。作為 DomU 的 OS 通過運行相應的 PV 前端驅動程序來獲得對一組通用虛擬設備的訪問權。根據 DomU 的數量，單個后端可服務多個前端。有一對適用于所有最常見設備類型(磁盤、網絡、控制臺、幀緩沖器、鼠標、鍵盤等)的 PV 驅動程序。PV 驅動程序通常位于 OS 內核(即 Linux)中。幾個 PV 后端也可以在用戶空間中運行，通常在 QEMU 中。前端在存儲器的共享頁上使用簡單的環(huán)協議連接后端。從 Dom0 與管理程序交互要求程序使用定義的管理程序調用(類似于系統調用)。Xen 提供一個名為 Xen Tools (也可寫成 xen-tools)的、帶有庫的參考工具箱。xen-tools 包含一個名為 xl 的程序，該程序可與其他程序一起檢查狀態(tài)和創(chuàng)建客戶機。

利用設備半虛擬化，可在管理程序與客戶機之間就如何進行通信達成協議。常見的通信協議為 Xen Bus 和 VirtIO。

xl 中的”create”命令要用到描述客戶機的配置文件，如果配置文件規(guī)定客戶機需要一個由 VNC 會話支持的虛擬幀緩沖器 (VFB)，那么 xl 會在 Dom0 用戶空間中自動啟動虛擬化代碼(本演示中，為每個客戶機啟動一個)。

doom VM 的配置文件如下所示：

# 客戶機名稱

name = “guest1”

# 要引導的內核鏡像

kernel = “/boot/Image”

# 內核命令行選項

extra = “console=hvc0 rdinit=/doom.sh”

# 最初存儲器分配 (MB)

memory = 56

# VCPUS 數量

vcpus = 1

vfb = [‘type=vnc, vnclisten=0.0.0.0’]

XEN 中的設備

為客戶機提供設備有三種常用方法：仿真、半虛擬化和直通 (圖 5)。對于設備仿真，當客戶機向仿真設備的存儲器寫入時，寫入操作會觸發(fā)陷阱。陷阱通常就是頁面錯誤。陷阱使處理器能夠切換到管理程序，以仿真設備。仿真是靈活的，但速度慢，因為要處理所有陷阱，而且要有人為所有需要仿真的設備編寫模型。而且，很難找到方法來加速仿真，因為幾乎沒有硬件加速;完全是軟件方法。

圖 5：方案、半虛擬化和直通方案的對比

利用設備半虛擬化，可在管理程序與客戶機之間就如何進行通信達成協議。通常有一個共享的存儲器區(qū)域(以及協議)，這看起來像一個設備，而且管理程序在該區(qū)域處理請求。例如，為了在 Linux 上支持半虛擬化幀緩沖器，Linux 前端驅動會把從用戶空間獲得的幀緩沖器寫入共享存儲器區(qū)域;然后使用管理程序調用向管理程序發(fā)信號，以通過后端驅動來輸出幀。客戶機只能通過半虛擬化驅動程序與主機 (Dom0)和其他客戶機 (DomU) 對話。這種方案的優(yōu)勢是：用戶可以在很多客戶機之間共享設備;運行快速;客戶機可以運行大部分都沒修改的內核。要求的變動在標準接口下面，因此對于應用程序以及內核其余部分來說，前端驅動程序看起來就像正常的網絡接口、磁盤或其他設備。支持客戶機通信的兩個常用協議是 Xen Bus 和 VirtIO。

在直通模式下，主機將設備”交給”一個客戶機。這意味著每次只有一個客戶機可以使用該設備。

設備性能與安全

一般來說，與通過直通方式提供的設備相比，仿真的設備性能比較低;半虛擬化方案則趨向于具備足夠性能。半虛擬化方案和仿真方案的優(yōu)勢在于管理程序可以讓設備訪問多個實體，而不會將這些實體相互暴露。

原理簡介

Doom-on-Zynq UltraScale+ MPSoC 的處理上下文環(huán)境就像洋蔥一樣有很多層(圖 6)。Cortex-A53 中是四個 ARMv8 內核。在每個內核上，管理程序運行在 EL2 中，客戶機(Dom0 或 DomU)運行在 EL0/EL1 中。每個 DomU 客戶機都運行 Linux;Doom (PrBoom) 運行在用戶空間中。Doom 使用簡單直接媒體層 (SDL)，通過 SVC 指令(最終)與幀緩沖器前端驅動對話。幀緩沖器前端將緩沖器寫入 Dom0 建立的共享存儲器區(qū)域。前端驅動通過協議(例如 Xen Bus 或 VirtIO)使用 HVC 指令(最終)與 Dom0 上運行的虛擬化代碼通信。在 Dom0 上運行的虛擬化代碼提供一個用于顯示的后端，然后該后端由虛擬化代碼的 VNC 服務器進行編碼，并通過網絡送到 VNC 客戶端。

圖6：X86 架構上從 PetaLinux 工具啟動 QEMU

此信息和演示能夠為管理程序的進一步研究和實驗提供很好的基礎。當你能夠在 QEMU 上用仿真來運行演示之后，就可使用 PetaLinux 工具在 Zynq UltraScale+ MPSoC 芯片上運行。