# AArch64：成为 FreeBSD 新的一级架构 * 原文：[AArch64: Bringing a New FreeBSD Architecture to Tier-1](https://freebsdfoundation.org/wp-content/uploads/2023/06/maste.pdf) * 作者：ED MASTE * 译者：ykla【】为译者注 FreeBSD 起源于 386BSD，而且在最初仅支持一种 CPU 架构，即英特尔 80386。对第二种架构 DEC Alpha【是由迪吉多公司开发的 64 位 RISC 指令集架构微处理器】的支持在 FreeBSD 3.2 中被加入的，接着是对 64 位 x86（amd64）的支持。支持等级的概念尚未完全确定，但 amd64 在 2003 年被提升为一级支持状态。64 位的 ARM 架构 AArch64（也称为 arm64）在 2021 年获得了一级支持的地位。我们将探讨这意味着什么，以及我们是如何实现这一步的。 在 FreeBSD 中引入新的一级支持架构是份具有挑战性的任务，它需要大量的努力，以确保该架构得到充分支持、稳定、高性能，并且与现有的 FreeBSD 生态系统兼容。 **FreeBSD 基金会看到了 64 位 ARM 架构的潜力，并了解到其他开发者对在该平台上进行 FreeBSD 移植感兴趣。** ## 一级架构状态 在 FreeBSD 项目中，一级架构（Tier-1）状态是指完全支持的架构，二级架构是开发或小众架构，三级架构是实验性架构。在 FreeBSD 项目网站 上有关支持等级的文件记录了这三个等级。 一级架构状态主要涉及 FreeBSD 项目对该架构的保证，包括生成 RELEASE 版本的软件包、提供预构建软件包、由安全团队提供支持，并在更新中保持向后兼容性目标。 一级架构还意味着该平台正在积极维护，定期进行测试，并及时修复错误和提供安全更新。预期 一级架构平台完全融入 FreeBSD 构建系统，以使工具链的所有组件都能正常工作，开发人员可以轻松地在该平台上构建、安装和维护操作系统。 一级架构状态还涉及些隐含特征，例如硬件可用性。FreeBSD 并未明确要求 一级架构平台必须广泛可用或受欢迎，但在实际应用中，一级架构状态要求多样化的硬件平台存在，并且以合理的成本可用。这是因为 FreeBSD 依赖于社区支持和厂商贡献来维护和改进对不同硬件平台的支持，并构建和测试第三方软件以适应该架构。 一级架构平台还应该是自举的，也就是说，在该平台上可以构建新版本的内核、C 运行时、用户空间工具和其他基本系统的 FreeBSD。 ## 平台的起源 和其他几个平台一样，FreeBSD/arm64 起源于一位积极开发者的兴趣。Andrew Turner 是位长期从事 FreeBSD/arm 开发的开发者，在 Arm 宣布 AArch64 架构后不久就开始研究。FreeBSD 基金会看到了 64 位 Arm 的潜力，并了解到其他实体对在该平台上进行 FreeBSD 移植感兴趣。基金会组建了一个项目，协调并赞助了 Andrew Turner 和工程公司 Semihalf 的工作，同时得到了 Arm 和 CPU 供应商 Cavium 的支持。 在 FreeBSD 中最早与 arm64 相关的提交是为 kernel-toolchain 构建目标添加构建基础设施。顾名思义，该目标用于构建工具链（编译器、链接器等），然后用于编译、链接和转换内核。在当时，FreeBSD 的基本系统中包含了 Clang，所以编译器支持相对简单。然而，当时 FreeBSD 仍包含旧版本的 GNU ld 链接器，不支持 AArch64。因此，早期的构建支持依赖于安装了 aarch64-binutils port 或软件包，并自动使用提供的链接器。**第一个针对 arm64 的内核修改是：** ``` commit 412042e2aeb666395b3996808aff3a8e2273438f Author: Andrew Turner Date: Mon Mar 23 11:54:56 2015 +0000 Add the start of the arm64 machine headers. This is the subset needed to start getting userland libraries building. Reviewed by: imp Sponsored by: The FreeBSD Foundation ``` 经过几年的开发，FreeBSD 拥有了一个基本但功能齐全的自举的 FreeBSD/arm64 移植版本，提供了一些 port 和软件包。虽然仍需要大量的开发工作、调试、性能优化、文档编写和其他工作，但 FreeBSD 已经在将另一种架构添加到支持列表的道路上。FreeBSD 11.0 成为第一个包含 arm64 支持和可安装软件的版本，作为 二级架构平台。 ## 工具链 **对 arm64/AArch64 支持的开始：** ``` commit 8daa81674ed800f568b87f5e4b8881d028c92aea Author: Andrew Turner Date: Thu Mar 19 13:53:47 2015 +0000 Start to import support for the AArch64 architecture from ARM. This change only adds support for kernel-toolchain, however it is expected further changes to add kernel and userland support will be committed as they are reviewed. As our copy of binutils is too old the devel/aarch64-binutils port needs to be installed to pull in a linker. To build either TARGET needs to be set to arm64, or TARGET_ARCH set to aarch64. The latter is set so uname -p will return aarch64 as existing third party software expects this. Differential Revision: https://reviews.freebsd.org/D2005 Relnotes: Yes Sponsored by: The FreeBSD Foundation ``` 一级架构平台的首要要求之一是具备完全支持且融合的工具链。在构建 FreeBSD 时，Clang 是主要的编译器，并且来自几家大型公司的 AArch64 开发工作一直在进行，因此整个平台的编译器支持一直非常良好。 其他工具链组件，如链接器、调试器和各种二进制实用工具，需要更多的工作。在最初的 FreeBSD/arm64 移植工作接近完成时，FreeBSD 仍然使用 GNU binutils 链接器（"BFD 链接器"），由于许可证问题，已经有一段时间没有更新过链接器的版本。因此，基本系统中包含的链接器不支持 AArch64，最初的支持依赖于安装 port/软件包 binutils。我们尽可能地为最终用户提供了便利，但这并不符合 一级架构架构的要求。 幸运的是，LLVM 社区的 LLD 链接器也在迅速取得进展。LLD 提供了更短的链接时间，支持不同于 BFD 链接器的优化，并拥有更广泛的架构支持。到了 2016 年底，我们在 FreeBSD/arm64 上成功切换到 LLD 作为系统链接器。事实上，这是 FreeBSD 上首个采用 LLD 链接器的架构。 FreeBSD 使用 ELF Tool Chain 项目来提供一些杂项二进制实用工具，如 strings 和 strip。这些工具有一些与机器相关的功能（例如重定位类型列表），但添加 arm64 支持的工作相对较轻松。 最后一个需要大量开发工作的工具链组件是 LLDB，即 LLVM 家族的调试器。幸运的是，LLDB 的开发工作也在为其他操作系统提供支持，因此只需要逐步增加对 FreeBSD 的支持。我们成功地将这些工具链工作合并到 FreeBSD 11 的稳定分支中，而 FreeBSD 11.1 成为了第一个避免使用变通方法并包含功能性链接器的版本。 ## Ports 和软件包 FreeBSD 提供了 30,000 多款第三方软件包在其 ports 中，并且其中许多软件包具有与架构相关的特性。机器相关的基础设施（例如，对于给定 port 在给定架构上进行编译的控制）是 ports 的基本部分。FreeBSD/arm64 作为 二级架构架构可用，FreeBSD 社区成员进行了实验并发现了无法构建的 port。这些问题要么被修复，要么在适当情况下从 aarch64 架构上排除。 将 FreeBSD/arm64 带入 一级架构阶段的目标带来了 ports 的一些额外要求。ports 没有官方的层次结构或 port 的分级分类，但有一些关键的 port。这些关键 port 提供工具链组件或其他依赖项，这些依赖项对于构建整个 ports 中的大型 port 是必需的。我们必须确保这些关键 port 在 arm64 上工作正常，并满足 一级架构的要求。确保这些软件包在 FreeBSD/arm64 上可用且可以持续构建是必要的。我们还需要及时为 一级架构架构构建软件包，这需要具备能力的服务器硬件。FreeBSD 基金会从 Ampere Computing 购买了服务器，并且该项目还收到了 Ampere 捐赠的额外服务器。这些硬件使得 arm64 软件包可以按照 x86 架构的每周频率进行构建。 ## FreeBSD 团队的支持 **将新的架构提升到 一级架构状态需要得到 FreeBSD 项目内的几个团队的支持和同意。** 将新的架构带入 一级架构状态需要得到 FreeBSD 项目内几个团队的支持和认可。这包括如上所述的 ports 管理和软件包管理团队，以及安全团队、发布工程团队和核心团队。 发布工程团队负责构建和测试发布制品，包括 ISO 和 USB 存储设备镜像，以及云计算目标。这些制品可以从其他架构进行交叉构建，因此发布工程团队并不绝对需要 arm64 构建主机，但是需要测试和 QA 硬件。 成为 一级架构架构需要安全团队提供安全问题和勘误的源代码更新，以及通过 freebsd-update 提供二进制更新。 最后，核心团队的支持是必要的，以便与其他团队、社区协调，并正式宣布该平台为官方的一级架构。 ## 硬件生态系统 硬件生态系统是成为 一级架构平台的一个隐含要求，正如前面提到的。硬件在许多不同的价格/性能组合下需要提供支持： * 高端服务器用于构建软件包， * 中档的服务器级硬件用于开发者工作站、远程访问进行移植和测试等， * 低端嵌入式平台用于广泛的测试和开发者使用， * 云资源用于开发、测试和生产的不同层次。 AArch64 最初在可用硬件方面存在一些明显的缺口，特别是与中端（和中等价格）的开发者和移植工作相关的平台。在 2010 年代末期，可选项非常有限。SoftIron OverDrive 1000 是一款价格合理、性能良好的系统，采用 AMD A1100 处理器，并且采用便捷的开发者形式因子。不幸的是，A1100 和 OverDrive 1000 在推出后不久即停产。 随着硬件可用性的不断提高，平台选择也在增加，例如树莓派 4 和 Pine A64-LTS 等低端平台，苹果设备和微软的 AArch64 开发者平台等中端平台，以及基于 Ampere Altra 的高端服务器系统。主要云服务提供商也提供 AArch64 虚拟机，其中使用 Ampere 平台或定制的 CPU 设计（如 AWS 的 Graviton）。 将 FreeBSD/arm64 带入 一级架构状态需要大量的时间和资源投入。64 位 Arm 生态系统在服务器市场上占据了重要的份额，并且没有放缓的迹象。FreeBSD 将通过这个 一级架构平台从服务器市场中获益。 ![image](https://github.com/FreeBSD-Ask/freebsd-journal-cn/assets/10327999/6dc86389-911d-4fa3-9982-8451be051c82) AWS Graviton ![image](https://github.com/FreeBSD-Ask/freebsd-journal-cn/assets/10327999/79e6732f-9b84-4d9c-adb5-c2b782506da2) Ampere “Mount Jade” ![image](https://github.com/FreeBSD-Ask/freebsd-journal-cn/assets/10327999/4721725a-d91b-479b-b3d8-30cffcb9a44a) 树莓派 4 ![image](https://github.com/FreeBSD-Ask/freebsd-journal-cn/assets/10327999/57263b2a-c50f-4583-8186-ec07baedd486) 微软 Arm 开发套件 ![image](https://github.com/FreeBSD-Ask/freebsd-journal-cn/assets/10327999/23ac923c-ed09-45d1-85b8-1d9f28d1b5fd) Pine A64 LTS *** **ED MASTE** 是 FreeBSD 基金会的高级技术总监，负责管理基金会的技术路线图、开发团队和赞助项目。他还是当期选举产生的 FreeBSD 核心团队成员。除了 FreeBSD，他还为许多其他开源项目做出了贡献，包括 LLVM、ELF Tool Chain、QEMU 和 Open vSwitch。他与妻子 Anna 和孩子们一起生活在加拿大的基奇纳 - 滑铁卢地区。 --- # Agent Instructions: Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://freebsd-journal-cn.bsdcn.org/20230506-freebsd-san-shi-zhou-nian-ji-nian-te-kan/aarch64.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.