Linux 内核移植

内核移植

半导体厂商会从 Linux内核官网下载某个版本，将其移植到自己的 CPU上，测试成功后就会将其开放给该半导体厂商的 CPU开发者。开发者下载其提供的 Linux内核，然后将其移植到自己的产品上。

本文使用 NXP提供的 Linux内核源码进行移植，文件名为：linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga.tar.bz2

1. NXP官方开发板Linux内核编译测试

编译内核之前需要先在ubuntu上安装lzop库，另外，图形化配置工具还需要ncurses库支持，安装命令为：

sudo apt-get install lzop
sudo apt-get install build-essential 
sudo apt-get install libncurses5-dev

在Ubuntu中新建一个文件夹，然后将linux内核压缩包拷贝到文件夹中并解压，解压命令为：

tar -vxf linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga.tar.bz2

1.1 配置并编译Linux内核

编译Linux内核之前要先配置Linux内核。每个板子都有其对应的默认配置文件，这些配置文件保存在“arch/arm/configs”目录中。imx_v7_defconfig和imx_v7_mfg_defconfig都可以作为NXP官方开发板IMX6ULL EVK的默认配置文件，但是一般都使用后者，因为后者编译出来的zImage可以通过NXP官方提供的MfgTool工具进行烧写

进入到Ubuntu中的Linux源码根目录下，执行如下命令：

#编译之前先清理
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean 	
#配置Linux内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_v7_mfg_defconfig 
#编译Linux内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

编译完成后，我们会得到两个重要文件：

• Linux内核镜像文件：存放路径为 arch/arm/boot/zImage
• IMX6ULL EVK开发板对应的设备树文件：存放路径为 arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-evk.dtb

1.2 Linux内核启动测试

将上一节中生成的zImage和imx6ull-14x14-evk.dtb这两个文件下载到IMX6U-ALPHA开发板上进行测试。

⏩ 首先检查uboot中的环境变量bootargs

console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw

⏩ 然后拷贝zImage和imx6ull-14x14-evk.dtb这两个文件到Ubuntu的tftp目录下

cp arch/arm/boot/zImage /home/andyxi/linux/tftp
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-evk.dtb /home/andyxi/linux/tftp

⏩ 最后启动开发板，进入uboot命令行模式，输入如下命令以上两个文件下载到开发板中并启动

tftp 80800000 zImage
tftp 83000000 imx6ull-14x14-evk.dtb
bootz 80800000 - 83000000

⏩ 内核启动后，如果EMMC中存在根文件系统，就可以进入到Linux系统里使用命令进行操作，如下图示

1.3 根文件系统缺失错误

Linux内核启动以后是需要根文件系统的，根文件系统存在哪里由uboot的bootargs环境变量决定的，bootargs会传递给Linux内核作为命令行参数，比如上一节的bootargs环境变量值为：

console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw

其中“root=/dev/mmcblk1p2”表示根文件系统存储在/dev/mmcblk1p2中（即EMMC的分区2），由于IMX6UL-ALPHA开发板在出厂时已经将根文件系统烧写到了EMMC的分区2中

如果不设置文件系统路径或者路径设置错误，开发板从网络启动后会提示内核崩溃，VFS（虚拟文件系统）不能挂在文件系统。下图中为不设置文件系统路径以及后续出现的报错信息

2. 在Linux中添加自已的开发板

2.1 添加开发板默认配置文件

⏩ 将arch/arm/configs目录下的imx_v7_mfg_defconfig文件重新复制一份并命名为imx_andyxi_emmc_defconfig，此后该文件就是自已开发板的默认配置文件了

cd arch/arm/configs
cp imx_v7_mfg_defconfig imx_andyxi_emmc_defconfig

2.2 添加开发板对应的设备树文件

⏩ 将arch/arm/boot/dts目录下的imx6ull-14x14-evk.dts文件重新复制一份并命名为imx6ull-andyxi-emmc.dts，.dts是设备树源码文件，编译Linux的时候会将其编译成.dtb文件

cd arch/arm/boot/dts
cp imx6ull-14x14-evk.dts imx6ull-andyxi-emmc.dts

⏩ 修改arch/arm/boot/dts/Makefile文件，添加开发板设备树文件

########## arch/arm/boot/dts/Makefile代码段 ##########
dtb-$(CONFIG_SOC_IMX6ULL) += 			\
	imx6ull-14x14-ddr3-arm2.dtb			\
	imx6ull-14x14-ddr3-arm2-adc.dtb		\
	......
	......
	imx6ull-14x14-evk-usb-certi.dtb		\
	imx6ull-andyxi-emmc.dtb			\
	......
	......

2.3 编译测试

⏩ 添加完IMX6UL-ALPHA EMMC开发板后，可以创建一个编译脚本imx6ull_andyxi_emmc.sh

#!/bin/sh
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_andyxi_emmc_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

⏩ 执行 shell 脚本 imx6ull_andyxi_emmc.sh 编译 Linux 内核， 命令如下：

chmod 777 imx6ull_andyxi_emmc.sh     #给予可执行权限
./imx6ull_andyxi_emmc.sh             #执行shell脚本编译内核

⏩ 编译完成后，将zImage和imx6ull-andyxi-emmc.dtb文件拷贝至tftp目录下，然后重启开发板，在uboot命令模式中使用tftp命令下载这两个文件并启动开发板

tftp 80800000 zImage
tftp 83000000 imx6ull-andyxi-emmc.dtb
bootz 80800000 – 83000000

⏩ 出现如下图示内容就表示Linux内核启动成功

3. CPU主频和网络驱动修改

3.1 CPU主频修改

确保根文件系统可用，重启开发板后进入终端，输入如下命令查看CPU信息

cat /proc/cpuinfo

结果如下图示

上图中的"BogoMIPS"是衡量处理器运行速度的一个参数，处理器性能越强，主频越高，BogoMIPS值就越大

BogoMIPS值只能粗略的计算CPU性能，可以通过以下目录中的文件来查看CPU工作频率相关的信息：

cd /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq

上述目录里的文件如下图示，可以通过"cat"命令开查看各文件里的内容

上述目录中的文件含义如下

• cpuinfo_cur_freq
• cpuinfo_max_freq
• cpuinfo_min_freq
• cpuinfo_transition_latency
• scaling_available_frequencies
• scaling_available_governors
• scaling_cur_freq
• scaling_driver
• scaling_governors
• scaling_max_freq
• scaling_min_freq

下面介绍如何修改调频策略：配置Linux内核，将调频策略选择为performance，从而让CPU一直工作在792MHz

• 方法一：修改imx_andyxi_emmc_defconfig文件来实现

#CONFIG_CPU_FREQ_DEFAULT_GOV_ONDEMAND=y   #屏蔽此处的默认调频策略（ondemand）
CONFIG_CPU_FREQ_GOV_POWERSAVE=y		  #使能powersave策略	
CONFIG_CPU_FREQ_GOV_USERSPACE=y        #使能userspace策略	
CONFIG_CPU_FREQ_GOV_INTERACTIVE=y      #使能interactive策略	
CONFIG_CPU_FREQ_GOV_ONDEMAND=y         #使能ondemand策略

修改完后，重新编译内核之前，需要先清理工程

• 方法二：通过图形化界面配置调频策略，输入"make menuconfig"打开界面
  

修改完后，重新编译内核之前，不能清理工程

3.2 使能8线EMMC驱动

IMX6UL-ALPHA EMMC开发板上的EMMC采用8位数据线，而Linux内核里的EMMC默认是4线模式的，可以通过修改为8线模式来提高运行速度

修改方法：直接修改设备树源码文件imx6ull-andyxi-emmc.dts，修改完成后使用make dtbs重新编译设备树即可

########## 修改后的imx6ull-andyxi-emmc.dts代码段 ##########
&usdhc2 {
	pinctrl-names = "default", "state_100mhz", "state_200mhz";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc2_8bit>;
	pinctrl-1 = <&pinctrl_usdhc2_8bit_100mhz>;
	pinctrl-2 = <&pinctrl_usdhc2_8bit_200mhz>;
	bus-width = <8>;
	non-removable;
	status = "okay";
};

3.3 修改网络驱动

IMX6UL-ALPHA EMMC开发板的网络和NXP官方开发板的网络硬件不同，网络PHY芯片由KSZ8081换为了LAN8720A，两个网络PHY芯片的复位IO也不同，所以Linux内核自带的网络驱动无法驱动IMX6UL-ALPHA EMMC开发板的网络，需要做如下更改
⏩ 修改LAN8720的复位引脚驱动：ENET1复位引脚ENET1_RST连接在IMX6ULL的SNVS_TAMPER7引脚上；ENET2复位引脚ENET_RST连接在IMX6ULL的SNVS_TAMPER8引脚上

在设备树源码文件中找到如下代码段，此处SNVS_TAMPER7/8两个引脚被初始化为了SPI4的IO，所以需要删除

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
pinctrl_spi4: spi4grp {
	fsl,pins = <
		MX6ULL_PAD_BOOT_MODE0__GPIO5_IO10 0x70a1
		MX6ULL_PAD_BOOT_MODE1__GPIO5_IO11 0x70a1
	#	MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER7__GPIO5_IO07 0x70a1		#删除此行
	#	MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER8__GPIO5_IO08 0x80000000  #删除此行
	>;
};

在设备树源码文件中找到如下代码段，此处SNVS_TAMPER7/8两个引脚被设置为了SPI4的功能IO，所以需要删除

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
spi4 {
	compatible = "spi-gpio";
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_spi4>;
#	pinctrl-assert-gpios = <&gpio5 8 GPIO_ACTIVE_LOW>;   #删除此行
......
......

#	cs-gpios = <&gpio5 7 0>;							 #删除此行
};

在设备树源码文件中找到名为“iomuxc_snvs”节点，在里面添加网络复位引脚配置信息

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
&iomuxc_snvs {
	pinctrl-names = "default_snvs";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_2>;
	imx6ul-evk {
	...... 
	......
		# enet1 复位配置
		pinctrl_enet1_reset: enet1resetgrp {
			fsl,pins = <
				# used for enet1 reset #
				MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER7__GPIO5_IO07 0x10B0
			>;
		};
		#enet2 复位配置
		pinctrl_enet2_reset: enet2resetgrp {
			fsl,pins = <
				# used for enet2 reset #
				MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER8__GPIO5_IO08 0x10B0
			>;
		};
	};
};

⏩ 修改LAN8720的网络时钟引脚驱动

在设备树源码文件中找到如下代码段，将ENET1和ENET2的网络时钟引脚的电气属性值由0x4001b031（默认值）改为0x4001b009

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
pinctrl_enet1: enet1grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_ENET1_RX_EN__ENET1_RX_EN 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_RX_ER__ENET1_RX_ER 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_RX_DATA0__ENET1_RDATA00 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_RX_DATA1__ENET1_RDATA01 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_TX_EN__ENET1_TX_EN 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_TX_DATA0__ENET1_TDATA00 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_TX_DATA1__ENET1_TDATA01 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET1_TX_CLK__ENET1_REF_CLK1 0x4001b009 #默认值为0x4001b031
	>;
};

pinctrl_enet2: enet2grp {
	fsl,pins = <
		MX6UL_PAD_GPIO1_IO07__ENET2_MDC 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_GPIO1_IO06__ENET2_MDIO 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_RX_EN__ENET2_RX_EN 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_RX_ER__ENET2_RX_ER 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_RX_DATA0__ENET2_RDATA00 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_RX_DATA1__ENET2_RDATA01 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_TX_EN__ENET2_TX_EN 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_TX_DATA0__ENET2_TDATA00 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_TX_DATA1__ENET2_TDATA01 0x1b0b0
		MX6UL_PAD_ENET2_TX_CLK__ENET2_REF_CLK2 0x4001b009 #默认值为0x4001b031
	>;
};

⏩ 修改fec1和fec2节点的pinctrl1-0属性

在设备树源码文件中找到“fec1”和“fec2”这两个节点，修改其中的“pinctrl-0”属性值，修改后的代码如下示

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
&fec1 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_enet1
				 &pinctrl_enet1_reset>;
	phy-mode = "rmii";
	......
	status = "okay";
};

&fec2 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_enet2
				 &pinctrl_enet2_reset>;
	phy-mode = "rmii";
	......
};

⏩ 修改LAN8720的PHY地址

在设备树源码文件中找到如下代码段，设置ENET1的LAN8720A地址（0x0），设置ENET2的LAN8720A地址（0x1），以及其他相关设置，修改后的代码如下示

########## imx6ull-andyxi-emmc.dts 代码段 ##########
&fec1 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_enet1
				 &pinctrl_enet1_reset>;
	phy-mode = "rmii";
	phy-handle = <ðphy0>;
	phy-reset-gpios = <&gpio5 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;	#添加了ENET1复位引脚，低电平有效
	phy-reset-duration = <200>;						#复位低电平持续时间为200ms
	status = "okay";
};

&fec2 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_enet2
				 &pinctrl_enet2_reset>;
	phy-mode = "rmii";
	phy-handle = <ðphy1>;
	phy-reset-gpios = <&gpio5 8 GPIO_ACTIVE_LOW>;	#添加了ENET2复位引脚，低电平有效
	phy-reset-duration = <200>;						#复位低电平持续时间为200ms
	status = "okay";

	mdio {
		#address-cells = <1>;
		#size-cells = <0>;

		ethphy0: ethernet-phy@0 {	#ethernet-phy@后面的数字式PHY的地址
			compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
			#表明PHY芯片是SMSC公司的，Linux内核会找到SMSC的PHY芯片驱动来驱动LAN8720A
			smsc,disable-energy-detect;	
			reg = <0>;	#也表示PHY地址
		};

		ethphy1: ethernet-phy@1 {	#ethernet-phy@后面的数字式PHY的地址
			compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";
			#表明PHY芯片是SMSC公司的，Linux内核会找到SMSC的PHY芯片驱动来驱动LAN8720A
			smsc,disable-energy-detect;
			reg = <1>;
		};
	};
};

⏩ 修改fec_main.c文件

要 在 I.MX6ULL 上 使 用 LAN8720A ， 需 要 修 改 一 下 Linux 内 核 源 码 ， 打 开
drivers/net/ethernet/freescale/fec_main.c，找到函数 fec_probe，在 fec_probe 中加入如下代码

static int fec_probe(struct platform_device *pdev)
{
	struct fec_enet_private *fep;
	struct fec_platform_data *pdata;
	struct net_device *ndev;
	int i, irq, ret = 0;
	struct resource *r;
	const struct of_device_id *of_id;
	static int dev_id;
	struct device_node *np = pdev->dev.of_node, *phy_node;
	int num_tx_qs;
	int num_rx_qs;

	/* 设置 MX6UL_PAD_ENET1_TX_CLK 和 MX6UL_PAD_ENET2_TX_CLK
	 * 这两个 IO 的复用寄存器的 SION 位为 1,以下为添加的代码 */
	void __iomem *IMX6U_ENET1_TX_CLK;
	void __iomem *IMX6U_ENET2_TX_CLK;

	IMX6U_ENET1_TX_CLK = ioremap(0X020E00DC, 4);
	writel(0X14, IMX6U_ENET1_TX_CLK);

	IMX6U_ENET2_TX_CLK = ioremap(0X020E00FC, 4);
	writel(0X14, IMX6U_ENET2_TX_CLK);
	......
	return ret;
}

⏩ 配置Linux内核，使能LAN8720驱动

输入“make menuconfig”，打开图形化配置解密，选择使能LAN8720A的驱动，路径如下
-> Device Drivers -> Network device support -> PHY Device support and infrastructure -> Drivers for SMSC PHYs

⏩ 修改smsc.c文件

在 Linux 中对 LAN8720A 进行一次软复位，找到LAN8720A的驱动文件 “drivers/net/phy/smsc.c”，在函数“smsc_phy_reset”中添加LAN8720A复位代码，修改后的代码如下

static int smsc_phy_reset(struct phy_device *phydev){
	int err, phy_reset;
	int msec = 1;
	struct device_node *np;
	int timeout = 50000;
	if(phydev->addr == 0) /* 获取FEC1网卡对应的设备节点 */ {
		np = of_find_node_by_path("/soc/aips-bus@02100000/
				ethernet@02188000");
		if(np == NULL) {
			return -EINVAL;
		}
	}

	if(phydev->addr == 1) /* 获取FEC2网卡对应的设备节点 */ {
		np = of_find_node_by_path("/soc/aips-bus@02000000/
				ethernet@020b4000");
		if(np == NULL) {
			return -EINVAL;
		}
	}
	//从设备树中获取复位时间
	err = of_property_read_u32(np, "phy-reset-duration", &msec);
	/* A sane reset duration should not be longer than 1s */
	if (!err && msec > 1000)
		msec = 1;
	//从设备树中获取复位IO
	phy_reset = of_get_named_gpio(np, "phy-reset-gpios", 0);
	if (!gpio_is_valid(phy_reset))
		return;
	//设置PHY的复位IO，复位LAN8720A
	gpio_direction_output(phy_reset, 0);
	gpio_set_value(phy_reset, 0);
	msleep(msec);
	gpio_set_value(phy_reset, 1);

	int rc = phy_read(phydev, MII_LAN83C185_SPECIAL_MODES);
	if (rc < 0)
		return rc;

	/* If the SMSC PHY is in power down mode, then set it
	* in all capable mode before using it.
	*/
	if ((rc & MII_LAN83C185_MODE_MASK) ==
		MII_LAN83C185_MODE_POWERDOWN) {

		/* set "all capable" mode and reset the phy */
		rc |= MII_LAN83C185_MODE_ALL;
		phy_write(phydev, MII_LAN83C185_SPECIAL_MODES, rc);
	}
	//未修改之前在上面的函数里面，只有Powerdown模式时才会软复位LAN8720A
	//此处将其移出来，这样每次调用smsc_phy_reset函数，LAN8720A都会被软复位
	phy_write(phydev, MII_BMCR, BMCR_RESET);
	/* wait end of reset (max 500 ms) */

	do {
		udelay(10);
		if (timeout-- == 0)
			return -1;
		rc = phy_read(phydev, MII_BMCR);
	} while (rc & BMCR_RESET);
	return 0;
}

因为smsc_phy_reset函数中用到了gpio_direction_output和gpio_set_value函数，所以需要在“smsc.c”中添加如下头文件

#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/io.h>

⏩ 网络驱动测试：修改好设备树和内核后重新编译，下载并启动开发板后，使用如下步骤进行测试

输入"ifconfig -a"来查看开发板中存在的网卡

输入"ifconfig eth0 up"和"ifconfig eth1 up"命令，打开eth0（ENET2）和eth1（ENET1）

使用"ifconfig eth0 192.168.10.51"和"ifconfig eth0 192.168.10.52"命令，配置网卡IP地址。配置成功后，ping以下Ubuntu主机（192.168.10.100），ping成功说明网络驱动修改成功

4. 内核移植总结

Linux内核移植的步骤总结如下：

• 一般情况下，设计自已的硬件时都会参考半导体厂商官方的开发板
• 在半导体厂商维护的Linux内核中查找可以参考的板子（半导体厂商官方开发板）
• 编译出参考板子对应的zImage和.dtb文件，尝试在自已的板子上启动
• 大部分情况下会启动起来，如果不能的话就需要调试Linux内核
• 修改相应的驱动，NAND/EMMC/SD卡等，内核已经提供，重点是网络驱动，需要根据自已的外设PHY芯片设置复位引脚、地址信息等
• Linux内核启动以后需要根文件系统，如果没有的话系统会崩溃