嵌入式 FreeBSD：回顾与展望
作者：Christopher R. Bowman
在过去一年中，我们已经探索了相当多的内容。虽然我猜大多数人运行 FreeBSD 还是在传统的 AMD64 架构 PC 上，但我们研究了一块可运行 FreeBSD 的嵌入式开发板：Digilent Arty Z7-20。虽然价格不算低，但 Arty Z7 提供了与 CPU 相连的 FPGA 结构，这使它区别于价格更低的树莓派或 Beagle Boards。
我们首先讨论了如何获取该开发板的预构建镜像，以及如何通过串口与其通信。在接下来的文章中，我们研究了如何自己构建镜像，并利用 FreeBSD 的交叉编译基础设施为 Arty 板上的 ARMv7 系统编译。这大大加快了开发速度。我们还讨论了如何定制 FreeBSD 的构建，并将其写入 SD 卡，从而生成我们自己的定制镜像。
在学会构建和定制镜像后，我们学习了如何设置 bhyve 实例来运行 AMD/Xilinx 的 FPGA 软件，以便实验 FPGA 结构电路。
当我们有了 Linux 实例后，就研究了构建电路并将其加载到 FPGA 结构中的基本流程。这里涉及了很多细节：我们必须用一种全新的硬件设计语言 Verilog 来创建电路；还要学习如何使用 AMD/Xilinx 工具将电路连接到芯片上的引脚，再通过这些引脚驱动开发板上的 LED。我们使用了一个代码仓库，把这些工作结合起来，最终能在 Linux bhyve 实例中构建电路。最后，我们学会了两种方式将电路加载到芯片中：一种是在系统启动前加载，另一种是在 FreeBSD 内加载。最终，我们看到了闪烁的 LED，就像圣诞树上的灯光。
在让第一个电路成功运行后，我们开始探索了更复杂的硬件，让 CPU 和 FPGA 结构电路之间进行通信。为此，我们使用了 FreeBSD 的 GPIO 系统。但一开始在镜像构建中发现 GPIO 不工作。我们调查了 GPIO 驱动的探测，发现系统缺少该驱动的原因是硬件在 设备树二进制文件 (DTB) 中没有描述。这引出了对 扁平设备树 (FDT) 文件的简短讨论，以及它如何描述许多嵌入式板子的硬件。我们学习了如何修改 FDT 文件，并用 DTC (设备树编译器) 编译生成 DTB，再让 FreeBSD loader 在内核启动前加载定制 DTB。完成这些步骤后，我们终于能在用户态调用 GPIO 系统来切换外部引脚，再次点亮 LED。
在最近的一篇文章中，事情变得更有趣。我们使用了一个 PMOD 模块：双七段数码管显示器。我们在 FPGA 结构中构建了电路，让它能在两个显示器上显示数值，并通过 AXI 总线向 CPU 提供寄存器接口。我们在 FDT 中添加了条目，描述硬件的寄存器接口，并编写了驱动来控制七段数码管的显示。最后，我们使用 Unix 的 sysctl 框架 作为用户态 API 来设置数码管的数值。
至此，我们已经能用 Verilog 设计电路并放到 Zynq 芯片的 FPGA 结构中；我们能构建通过 AXI 总线通信的寄存器接口，让 CPU 能方便地和定制硬件交互；我们能在内核中描述这些硬件，并编写驱动让 FreeBSD 系统与之交互；我们还能从用户空间与这些硬件交互。接下来会怎样呢？
在有了基本的电路构建与 FPGA 部署能力后，我们开始探索如何在 Zynq 芯片的硬件与 CPU 子系统之间进行通信。这开启了广阔的探索与实现空间，但也存在限制。其中一个限制是 带宽和并发性。虽然寄存器接口功能强大且灵活，但带宽有限。CPU 写寄存器的速度有限，尤其当它还要执行其他任务时。目前，我们的硬件带宽受限。对于七段显示器这样的应用很好用，但如果需要带宽密集型任务，它就不够了。
举例来说，视频显示。我们的 Arty 板有 HDMI 输出接口。寄存器接口或许能支持字符显示，但对位图图形就不够用了。一台 24 位色深、1280x720@60Hz 的显示器需要大约 166 MB/s 的数据吞吐。我们显然不可能通过寄存器接口来实现。传统的做法是分配一块内存，CPU 写入数据，显示硬件读取数据。我们需要探索如何构建硬件来直接访问主存，而不依赖 CPU 搬运数据。寄存器接口知识仍然有用，因为 CPU 需要配置参数（比如基地址），但理想情况是硬件能每秒 60 次自动抓取显示缓冲，而无需 CPU 干预。
让 CPU 能描述硬件应读写的内存对象，开启了 Zynq 系统设计的新可能性。这也让我好奇，这种带宽竞争会对双核 Arm Cortex A9 系统产生什么影响。Digilent 还生产另一款基于 Zynq 的板子，和 Arty Z7-20 类似：Digilent Zybo Z7。它比 Arty Z7 更贵（双核版 399 美元，而 Arty 是 249 美元），但 Zybo 的内存总线宽度是 Arty 的两倍，频率几乎相同。此外，Zybo 提供 6 个 PMOD 接口，而 Arty 只有两个。不过，Zybo 没有 Arduino 外壳引脚。我更感兴趣 PMOD 接口。除此之外，两者基于相同的芯片，不需要新驱动，FDT 基本不变。研究它需要的改动会很有意思。
另外，还可以研究新的 PMOD 模块。在 Digilent 网站 上可以找到很多。我们之前用过 PMOD SSD：七段数码管。Digilent 已经下架了 PMOD GPS，但我在下架前买了一块。它使用 UART 接口，而 UART 恰好是 Zynq 芯片上的片上外设，可以通过 FPGA 连接到外部引脚。这应该很容易连接。我猜有开源软件能通过 UART 与它通信，实现定位和授时等 GPS 功能。更有趣的是它提供 每秒脉冲 (PPS) 输出。我知道 Poul-Henning Kamp 过去做过一些基于 FPGA 的计时研究，我想看看这是否能应用在这里。
目前我们还没做过中断实验。但让 FPGA 电路生成中断传递给处理器并不难，同时保持一个寄存器来记录 PPS 与当前时间之间的时钟周期数。当中断服务软件运行时，可以读取该寄存器，补偿中断与驱动运行之间的延迟。这可能对 NTP 软件有用。我不敢确定，但这是我感兴趣的探索。甚至有可能实现一个本地 GPS 同步的一类时间服务器。
我手头还有各种 PMOD 模块，比如加速度计、OLED 显示器和 LCD。将它们接入也很有趣。例如，如果你在板子上运行一个 NTP 服务器（也许利用上面描述的硬件提高精度），你可以用 LCD 持续显示原子时间和位置。
差点忘了，Zynq 板子还内置了 模数转换器 (ADC)。这无疑是另一个有趣的探索方向，但可能需要一些外部模拟电路（如信号调理或缓冲）才能传给 FPGA，这可能超出 FreeBSD Journal 文章的范围。不过，研究如何访问这些片上外设也是很有意义的。
当然，你也可以自己构建硬件，并很容易通过 FPGA 引脚连接。我很好奇，如果你能自己设计，你会做什么？
还有一个我原本打算研究但没提到的方向：在 FreeBSD 上运行 Vivado。如果你看过我的一些代码仓库，可能会注意到 FreeBSD 下运行 Vivado 有一些实验性支持。不过看来有人已经先我一步了：Michał Kruszewski 写了一篇详细的博文。对我来说，这已经够用了，我能在 FreeBSD 上构建和模拟电路。但还不行的是直接从 FreeBSD 主机加载比特流，以及使用 Vivado Logic Analyzer。这两点在我的 bhyve Linux 实例里也不行，不过也许等 FreeBSD 15.0 发布时，我会尝试直通实验。
希望你觉得这些专栏有用。我很欢迎你的意见或反馈。你可以通过 [email protected] 联系我。
Christopher R. Bowman 最早在 1989 年使用 BSD，当时他在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室地下一层的 VAX 11/785 上工作。后来在 90 年代中期，他在马里兰大学用 FreeBSD 设计了他的第一款 2 微米 CMOS 芯片。从那时起，他就一直是 FreeBSD 用户，对硬件设计和驱动它的软件都有着浓厚兴趣。他在半导体设计自动化行业已有 20 年经验。
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