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教程 05 - 驱动程序: GPIO和UART

tl;dr

添加了用于真实UART和GPIO控制器的驱动程序。
我们将首次能够在真实硬件上运行代码 (请向下滚动查看说明)。

简介

在上一篇教程中，我们启用了全局安全变量，为添加第一个真实设备驱动程序奠定了基础。我们放弃了神奇的QEMU控制台，并引入了一个驱动程序管理器，允许BSP将设备驱动程序注册到内核中。

驱动程序管理器

第一步是向内核添加一个driver subsystem。相应的代码将位于src/driver.rs中。该子系统引入了interface::DeviceDriver，这是每个设备驱动程序都需要实现的通用特征，并为内核所知。在同一文件中实例化的全局DRIVER_MANAGER实例（类型为DriverManager）作为一个中央实体，可以被调用来管理内核中的所有设备驱动程序。例如，通过使用全局可访问的crate::driver::driver_manager().register_driver(...)，任何代码都可以注册一个实现了interface::DeviceDriver特征的具有静态生命周期的对象。

在内核初始化期间，调用crate::driver::driver_manager().init_drivers(...)将使驱动程序管理器遍历所有已注册的驱动程序，并启动它们的初始化，并执行可选的post-init callback，该回调可以与驱动程序一起注册。例如，此机制用于在UART驱动程序初始化后将其切换为主系统控制台的驱动程序。

BSP驱动程序实现

在src/bsp/raspberrypi/driver.rs中，函数init()负责注册UART和GPIO驱动程序。因此，在内核初始化期间，按照以下来自main.rs的代码，正确的顺序是：（i）首先初始化BSP驱动程序子系统，然后（ii）调用driver_manager()。

unsafe fn kernel_init() -> ! {
    // Initialize the BSP driver subsystem.
    if let Err(x) = bsp::driver::init() {
        panic!("Error initializing BSP driver subsystem: {}", x);
    }

    // Initialize all device drivers.
    driver::driver_manager().init_drivers();
    // println! is usable from here on.

驱动程序本身存储在src/bsp/device_driver中，并且可以在不同的BSP之间重复使用在这些教程中添加的第一个驱动程序是PL011Uart驱动程序：它实现了console::interface::*特征，并且从现在开始用作主系统控制台。第二个驱动程序是GPIO驱动程序，它根据需要将RPii's的UART映射（即将来自SoC内部的信号路由到实际的硬件引脚）。请注意，GPIO驱动程序区分RPi 3和RPi 4。它们的硬件不同，因此我们必须在软件中进行适配。

现在，BSP还包含了一个内存映射表，位于src/bsp/raspberrypi/memory.rs中。它提供了树莓派的MMIO地址， BSP使用这些地址来实例化相应的设备驱动程序，以便驱动程序代码知道在内存中找到设备的寄存器的位置。

SD卡启动

由于我们现在有了真实的UART输出，我们可以在真实的硬件上运行代码。由于前面提到的GPIO驱动程序的差异，构建过程在RPi 3和RPi 4之间有所区别。默认情况下，所有的Makefile目标都将为RPi 3构建。为了RPi 4构建，需要在每个目标前加上BSP=rpi4。例如：

$ BSP=rpi4 make
$ BSP=rpi4 make doc

不幸的是，QEMU目前还不支持RPi 4，因此BSP=rpi4 make qemu无法工作。

准备SD卡的一些步骤在RPi3和RPi4之间有所不同，请在以下操作中小心。

通用步骤

创建一个名为boot的FAT32分区。
在SD卡上生成一个名为config.txt的文件，并将以下内容写入其中：

arm_64bit=1
init_uart_clock=48000000

RPi 3

从Raspberry Pi firmware repo中将以下文件复制到SD卡上：
运行make命令。

RPi 4

从Raspberry Pi firmware repo中将以下文件复制到SD卡上：
运行BSP=rpi4 make命令。

注意: 如果在您的RPi4上无法正常工作，请尝试将start4.elf重命名为start.elf (不带4) 并复制到SD卡上。

再次通用步骤

将kernel8.img复制到SD卡上，并将SD卡插入RPi。
运行miniterm target，在主机上打开UART设备：

$ make miniterm

❗ 注意: Miniterm假设默认的串行设备名称为/dev/ttyUSB0。Depending on your 根据您的主机操作系统，设备名称可能会有所不同。例如，在macOS上，它可能是 /dev/tty.usbserial-0001之类的。在这种情况下，请明确提供设备名称：

$ DEV_SERIAL=/dev/tty.usbserial-0001 make miniterm

将USB串口连接到主机PC。
- 请参考top-level README中的接线图。
- 注意: TX（发送）线连接到RX（接收）引脚。
- 确保您没有连接USB串口的电源引脚，只连接RX/TX和GND引脚。
将RPi连接到（USB）电源线，并观察输出。

Miniterm 1.0

[MT] ⏳ Waiting for /dev/ttyUSB0
[MT] ✅ Serial connected
[0] mingo version 0.5.0
[1] Booting on: Raspberry Pi 3
[2] Drivers loaded:
      1. BCM PL011 UART
      2. BCM GPIO
[3] Chars written: 117
[4] Echoing input now

通过按下ctrl-c退出。

相比之前的变化（diff）

请检查英文版本，这是最新的。

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