在Sega 32X上运行Linux。谁还需要硬件同步原语呢？

# 在 Sega 32X 上运行 Linux——谁还需要硬件同步原语呢？ 来源：https://cakehonolulu.github.io/linux-on-32x/ ## 前言 这篇文章的开头，我别无选择，只能感谢所有喜欢之前在 Jaguar 上运行 Linux（https://cakehonolulu.github.io/linux-for-jaguar/）那篇文章的朋友们。 特别感谢 `linuxmd` 项目的再次支持。 这是一次非常有趣的经历，我们还上了几家新闻媒体： 或者 我也把它发到了 Hacker News（https://news.ycombinator.com/item?id=48808663）上，引起了不少兴趣（还有不错的问题！）。 所以，是的，再次感谢大家！ ## 为什么这（Linux）潮流还在继续？ 这个问题我有个简单的回答：主要是为了提升我的板卡启动技能。 我在固件/操作系统/嵌入式领域专业工作已经超过两年了（从专业角度来说），而求职时常见的需求之一就是“具备从头开始进行板卡启动的能力”。 我知道这听起来不是特别吸引人，但对我来说，除了找工作（其实这也不是我的主要收入来源）之外，让一块芯片跑起来，并且运行你制作/协助制作的东西，这本身就非常有趣。你可以尝试组成结果的各个不同层面：模拟器、技术文档、实验、调查……你知道的，就是那些常见的工程活儿。 倒不是说阅读90年代初扫描的数据手册是我的爱好（有些文档里嵌入的只是纯图像PDF），但其中总有一种东西让我一次又一次地回来。 实际上，我在13/14年就开始做这件事了。那时我12/13岁，清楚地记得父母给我买了第一部手机。它基于联发科6589四核处理器，配有一GB内存——厉害吧！ 那时（没过多久），谷歌发布了Android 5.0 Lollipop，但手机厂商决定不把手机升级到这个版本。我真的很伤心……所以只能自己动手了。 我会把故事简短总结一下，因为它有点长；但关键是，我要求该公司遵守GPL，发布该手机的Linux内核源代码，他们拒绝了，但我们社区团结起来，最终他们发布了（以及其他几款手机的源代码树）。 当我发现源代码是半吊子的，并且板卡配置根本无法在手机上启动时，可以想象我的惊讶。幸运的是，那时我发现了一个针对6589变种的MediaTek ALPS（https://wiki.postmarketos.org/wiki/ALPS）完整源代码的泄露版本，看起来很有希望（包含了完整的Little-Kernel引导程序、基带、Preloader、Linux内核和AOSP），让我可以研究。 我花了几个月时间，试图逆向工程手机厂商提供的原始启动镜像中的zImage部分，以填补MediaTek代码的某些部分（主要与液晶屏、电池、芯片组怪癖等有关）。经过大量挖掘和实验（以及在xda-developers（https://xdaforums.com/t/cyanogenmod-for-mediatek-devices.2274332/）上与酷哥们的愉快聊天），我最终让Android 5.0在我的手机上运行起来了——注意，并不完美。没有蓝牙、没有硬件合成器（硬件加速）、没有媒体引擎……但当看到纯净、未经修改的新Material Design在我的手机上显示出来时，我还是被震撼了。 Android 5.0 Lollipop*Android 5.0 Lollipop* 也许有一天我应该专门写一篇文章讲述这个故事。 ## 强大的 Sega 32X Sega 32X 于1994年11月在美洲/欧洲（1994年12月在日本）发布，是一款附加设备，号称是16位时代Genesis和即将到来的32位Sega Saturn之间的过渡步骤。我不太会讲故事，所以导致那个时刻（对于世嘉来说）发生的故事有点混乱（日本世嘉 vs 美国世嘉），所以我留给读者自己去了解吧。 不管怎样，在32X之前，世嘉推出了一款CD附加设备：Sega CD（在美国）或Mega CD（在欧洲/日本）。它插入Genesis的扩展接口，支持CD质量的音频流（以及游戏/游戏资源流）。它本身就是一个独立机器（它有一个比Genesis频率更高的68000处理器）。有两个不同的型号：第一代是前置式……： Sega CD 1*Sega [Mega]CD Model 1 with Mega Drive/Genesis Model 1* ……以及第二代，顶置式： Sega CD 2*Sega [Mega]CD Model 2 with Mega Drive/Genesis Model 2* 但这篇文章是关于32X的……所以，这就是它了： Sega 32X*Sega 32X* 这个附加设备实际插在Genesis的卡带插槽上（它有一个独立的电源适配器和视频输出，后来视频输出是通过“组合”在Genesis视频输出的时序/视频/色彩通道信号之上实现的）。 Sega 32X & Genesis Model 2*Sega 32X & Genesis Model 2* 如果你曾经有幸搭建过“权力之塔”，你就会知道，拥有三个独立的电源适配器，再加上从32X获取立体声输出的线缆、“补丁”线以及许多我现在可能忘记的零碎东西，那可不是一般的讲究。 那么所有这些动力是用来做什么的呢？ ## 32X 硬件规格 不可否认，这款附加设备比基础主机强大得多： | 组件 | Sega Genesis/Mega Drive | Sega 32X | | :--- | :--- | :--- | | 主CPU | 1 x Motorola 68000 @ 7.6 MHz | 2 x Hitachi SuperH SH2（SH7604）@ 23 MHz | | 位宽 | 16位 | 32位 | | 最大屏幕颜色数 | 64 | 32768 | | 系统内存 | 64KB + 256KB SDRAM（加上Genesis的64K） | 64KB + 256KB SDRAM（加上Genesis的64K） | | 视频内存 | 64KB | 256KB（双缓冲） | | 图形 | 基于精灵 | 软件渲染3D（平面着色、高洛德着色、简单纹理映射多边形） | 如你所见，差别相当大。我甚至没有列出所有不同，主要就是这些。 不幸的是，对于世嘉来说，这款产品的发布几乎与索尼的PlayStation 1同时进行，而后者凭借更简单的架构注定要占领游戏行业。另外，Sega Saturn也接近发布，这也没有任何帮助（所以消费者很困惑该买哪一个）。这才是真正的世嘉风格！ 不管怎样，如果我们能让Linux在Jaguar上运行，那么在32X上应该也能做到，对吧？ ## jmp _linux，集合点 要让Linux在SH2上运行（即让它通过UART输出任何有意义的信息）需要一些头脑风暴。 我们需要设置三个不同的CPU：两个SH2和一个68000。幸运的是，GitHub上已经有现成的例子了，所以我选了看起来最流行的32X Hello World示例：Chilly Willy's Sega MD/CD/32X devkit（https://github.com/viciious/32XDK/releases）。 这个基础示例在32X和68000之间建立了一个通信通道（这样你可以请求68000做一些32X不能做的事情），通过特定的内存映射IO地址；它准备好SH2（设置缓存，直接从68000机器码中将SH2代码从卡带上传……）并让主SH2跳转到那里，同时辅SH2被停靠。 我所做的是扩展这个功能，以便我拥有一个简单的状态机，可以将字符推送到Genesis的UART上（因为32X无法直接访问它）。但有一个问题…… ## 256K + 64K 将Linux移植到一个新的（并且在发布时相对较新的）平台的最大障碍通常是完成启动所需的接线工作；如果你有足够的内存来加载它，情况通常就是这样。但对我们来说不是…… 幸运的是，有基于FPGA的闪存卡带（可以让你在基础和32X模式下运行游戏；甚至还有专门的“核心”提供Sega CD支持，如果你没有附加设备的话！）。其中一系列卡带来自Krikkz（https://krikzz.com/）。 他基本上做了闪存卡带该做的事，但在各个方面都走得更远——这不仅仅是运行游戏那么简单！ 我们对这些卡带的一个特别之处感兴趣： 扩展SSFv2映射器（https://krikzz.com/pub/support/mega-everdrive/x3x5x7/dev/extended_ssf-v2.txt） 早期的卡带系统通常有“映射器”这个概念。 映射器基本上是位于卡带上的IC，它可以增强主机在内存处理方面的能力。 它们还可以提供与内存无关的其他功能，例如世嘉的虚拟处理器（SVP），它有一个三星设计的DSP来进行繁重的数学计算（使Virtua Racer能够在基础Genesis上显示其所有3D多边形）；或者任天堂的SuperFX芯片，它提供了与SVP类似的能力，由《雷霆壮志》或《猛禽》的创作者Argonaut Games制造。 映射器通常用于以银行切换的方式提供更多的ROM空间，以便容纳更大/更详细的游戏。你会写入某个特定内存地址/执行一组特定的访问，然后IC会在内部将“扩展”ROM的部分重新映射到主机可以直接寻址的内存窗口。如果仔细想想，这有点像MS-DOS的`HIMEM.SYS`的精神。 所以Krikkz基本上为我们完成了所有工作，结果我们可以将ROM当作RAM使用（通过配置某些位，可以将ROM设置为可写）。这为我们提供了4 MB的RAM。 我基本需要扩展SDK示例来执行ROM→RAM的映射，但必须留出一些空间供Linux + initramfs二进制文件驻留（基本上是卡带内存窗口内的实际ROM）。我最终找到了一个平衡点：大约540 KB的ROM和剩余的RAM。Linux加载器基本上将二进制文件复制到它链接到的内存位置，然后跳转到它。 ## 编译和运行 Linux 于是，我制作了一个`sh2eb-elf`交叉编译器，并开始编译Linux……但编译很快就失败了。 在我遇到的所有工具链问题中，这个可能是最有趣的。 出于某种原因，GCC在编译`kernel/nstree.c`时出现了内部编译器错误（ICE）。幸运的是，我找到了一个解决方法（https://github.com/torvalds/linux/commit/6fea4c411fe0ca70fe0ea2147eefd37faf41a0bd）（当时没时间提交错误报告）。 完成所有这些工作后（以及编写了一个小型earlycon驱动程序，以便从32X向Genesis输出UART信息），我看到了Linux的第一条消息。 还有一个单独的问题：某时Linux似乎停止了启动过程，并无限期挂起。 然后我发现了另一组问题，这次与`ashlsi3, ashrsi3 & lshrsi3`有关。我不太确定这些是如何编写的（它们是从对应的`libgcc`复制/借鉴而来吗？），但比较交叉编译器对这些函数所做的和Linux所做的，很明显我们在破坏一个不应该破坏的寄存器。我之所以发现这个问题，是因为我开始注意到一些`pr_info`和`pr_notice`的栈被破坏了（而且从未返回给调用者），之后我追踪到这里（https://github.com/torvalds/linux/commit/a72625dbf9687b975d9565df8e56fccd5c628921）。 然后我为了安全起见，对`arch/sh/lib/checksum.S`做了一个额外的（类似的）修复（https://github.com/torvalds/linux/commit/e3ec8b05a8f6d83f8b1d513ab470bd930a96682d），基本上我禁用了`shrd`指令，因为它不存在于32X的SH2中（如果使用……就会产生非法操作码）。 这一修复让我们顺利通过了时钟校准之前的整个启动过程；为此我决定为SH2的FRT（自由运行定时器）编写一个简单的驱动程序；这让我们更进一步，我们即将启动`init`进程。 幸运的是，这次我能够利用`ELF FDPIC`支持（这比Jaguar的`FLAT`二进制支持让我轻松多了）来构建我的`rootfs`。我还非常幸运地得到了musl-cross-make（https://github.com/richfelker/musl-cross-make）的帮助，它为我提供了一个可用的`sh2eb-linux-muslfdpic-`工具链（我必须承认，我努力用过`crosstool-ng`、`buildroot`等工具，但都没有成功）。 于是，一切都启动起来了。 结……案……了……？ ## 对称多处理（SMP） 是的，我控制不住自己。 事实证明，你需要一些硬件原语来实现CPU间同步……而32X上的SH2没有这些原语¹。 ¹：即使在开发者手册要求不要这样做之后，像D32XR这样的项目似乎仍然使用了TAS.B操作码，因为适配器总线没有锁定的读-修改-写周期机制。 我们也没有缓存一致性，所以又多了个问题。 但我想，嘿，两个SH2功能上相同；我们肯定能想出办法……对吧？ 事实证明，`sparc32`正是有一些代码可以帮助解决这个问题。 我们基本上可以利用Peterson算法（https://en.wikipedia.org/wiki/Peterson%27s_algorithm）完全在软件中实现所需的原语。注意，这不高效，但确实有效。 我基本上需要对所有需要关注的原语（比如`cmpxchg`）进行启动，并应用Peterson提出的思路。 我还需要连接68000的代码（目前只处理UART相关功能），以便它能够帮助向两个SH2传递IPI（我扩展了68000可以接收的命令，使其能够正确地完成工作），同时设置共享内存区域以帮助同步任务。可以把此时的68000看作总线仲裁器/额外中断路由器。 从SH2端，我只需发送一个“IPI”命令，68000解析该命令并根据数据字的一个位（0为主SH2，1为辅SH2）来决定断言哪个中断线。 还有缓存一致性问题，我通过不使用缓存映射（并且无论如何缓存都是禁用的）来放置Peterson的`flag`和`turn`变量（例如，避免SH2因`flag`的陈旧缓存值而自旋）来解决。 我面临的另一个问题是，如何识别哪个CPU是哪个（这样Linux才能正确管理和调用`hard_smp_processor_id()`）：考虑到我无论如何都在使用`softfloat`，我直接让`CPUID_REG`指向SH2私有的硬件分频器寄存器（`DVSR`），它没有其他用途，所以有效地成为了我的“我是什么CPU”寄存器。该寄存器由Linux加载器在启动时为主SH2和辅SH2写入。 性能很差，总线争用很疯狂；但它确实有效，这对我来说就够了。 ``` smp: Bringing up secondary CPUs ... MARS SMP: released secondary SH2 to 22082000 smp: Brought up 1 node, 2 CPUs ``` 我必须承认，这并不像看起来那么容易，实际上涉及大量的调试和（大部分）试错（我还花了两个晚上追踪为什么两个CPU都会被唤醒，但很快又空闲了；结果是我需要对`default_idle()`进行修复（https://github.com/torvalds/linux/commit/c816358004d5ab6ce59c985d07847431bbedb41a），因为调度器会出错，无法正确继续执行）。 但一切都是值得的。 然后我基本上就做了一个简单的控制台显示驱动程序（这样你就可以在实际屏幕上看到效果了）…… Linux on 32X *瞧* 不用说，所有这些都需要大量的微调（我经常内存不足，并且需要让Linux和Busybox都进行精简），但这又是一次非常有回报的经历。 ## 供大家尝试的杂项配置文件 Linux源码树（https://github.com/cakehonolulu/linux_ports/tree/sega/32x）（`mars_defconfig`） Busybox配置（https://cakehonolulu.github.io/misc/linux_32x/busybox.config） 初始化脚本（https://cakehonolulu.github.io/misc/linux_32x/init）