【技术大神】应用低功耗MCU搭建XIP Linux开发环境

RZ/A1是瑞萨电子于2013年推出的RZ族MCU的第一个系列，也是瑞萨电子首款基于ARM核的高端通用MCU产品。

该产品的主要有如下两大优点：

1）基于ARM Cortex-A9 内核，最大支持400MHz主频，1000DMIPS，内嵌有MMU内存管理单元和NEON协处理器，因此拥有超强的运算处理能力。

2）片内集成了2~10M字节的SRAM，可以简化硬件设计，用户无需外扩SDRAM，也少了SDRAM采购风险。而且该SRAM分成5个块，每块又拥有独立的128位数据总线，数据处理效率极高。该产品CPU性能卓越，外围资源丰富，可以广泛应用于工业面板、二维码扫描、医疗设备、高端家电等领域。具体芯片的详细介绍和规格，这里就不赘述了。

基于RZ/A1的XIP Linux 介绍
1）什么是XIP？
言归正传，回到本文的主题XIP Linux。XIP是英语eXecute In Place的字母缩写，即芯片内执行，指应用程序可以直接在Flash闪存内运行。

RZ/A1是如何实现XIP模式的呢？是使用Nor-Flash吗？当然不是，Nor-Flash那么多引脚，封装也比较大，已经Out了。RZ/A1内嵌了SPI Multi IO总线控制器，不同于普通的SPI Flash控制器，它除了通过设置寄存器的方式来实现SPI通信外，还支持把SPI通信转换成总线式的并行通信。这样CPU读Flash的时候，控制器自动把读操作转换成SPI命令，从外部的串行Flash读取数据，换句话说，CPU可以像访问内存一样访问串行Flash。因此，应用程序可以直接在串行Flash内运行，不必再把代码复制到SRAM中，如下图所示。

大家可能又会想了，串行Flash的速度会不会很慢呢？并不然，RZ/A1除了支持普通的SPI Flash外，还支持四线的QSPI Flash，还支持双四线的Dual QSPI Flash （8线），速度不会比普通的Nor-Flash速度慢。而且，有RZ/A1双重的缓存机制来保障串行Flash更快的运行速度，其一，SPI Multi IO总线控制器带有读缓存，其二，芯片内嵌了大容量的L1和L2缓存。

2）什么是XIP Linux？
XIP Linux与传统Linux又有什么不同之处呢？

传统Linux的Kernel映像文件被压缩并存储在外部Flash，在系统启动时，需要将Kernel映像拷贝到RAM中，并解压缩后，跳转到Kernel运行，Kernel需要常驻内存中。而且应用程序是存储在文件系统中的，文件系统是以块的形式存储（数据读写需要固定尺寸的块），程序不能直接从块设备运行，需根据动态加载到RAM中运行。

而基于RZ/A1的XIP Linux，CPU可以直接从外部串行Flash运行Kernel，无需做任何拷贝，如此一来Linux启动会很快，而且也节省了很大的RAM空间。另外，XIP Linux使用了AXFS（Advanced XIP File System）文件系统，MMU可以把基于AXFS系统的应用程序的Flash物理地址直接映射到Linux的虚拟地址空间，应用程序也不需要拷贝到RAM，能够直接运行。所以应用程序的启动速度也非常快，同样也节省了大量的RAM空间，如下图所示。

总而言之，相比传统Linux，基于RZ/A1的XIP Linux优势在于，其一，不用加载Kernel和应用程序而致使系统启动速度非常快；其二，使用非常小的RAM空间。因此基于RZ/A1的XIP Linux可以仅使用片内的SRAM，无需扩展SDRAM。

XIP Linux开发环境的搭建
1）PC Linux系统安装
要做Linux的开发，当然少不了Linux的PC系统。用户首先需要在Windows的PC机上安装一个虚拟机软件，然后在虚拟机里安装好Linux系统。虚拟机软件可以选择的很多，此处不多说了。这里Linux PC系统，推荐使用Ubuntu 14.04，当然Ubuntu的其它版本也可以，因为我们使用的GCC已经预编译好了，因此版本对系统的影响不大。安装步骤不赘述了，但需要强调的是，应使用如下命令在Ubuntu系统安装两个工具。

2）RZ/A1 Linux BSP下载
基于RZ/A1的Linux BSP源码仓库放在网站：https://github.com/RENESAS-rz。
用户可以从该网址的rskrza1_bsp_releases目录下下载到最新版的Linux BSP，然后解压到用户目录下。也可以直接在Ubuntu的终端用如下命令操作。

 
用户也可以从网址——http://renesasrulz.com/renesas_forum_home/rz/m/mediagallery/——下载到最新的Linux BSP，世强平台也还有一些基于RZ/A1的Linux应用笔记可供参考。

3）Linux编译
进入上一步解压的目录：RSKRZA1-BSP-V1.1.0，里面有个setup_env.sh和build.sh文件。setup_env.sh用于设置编译输出及GCC工具链的目录，当然也可以使用默认的，不作修改。Build.sh文件功能很强大，可以用于获取工具链，编译u-boot、Kernel和根文件系统。在RSKRZA1-BSP-V1.1.0下输入如下命令，就会显示出操作菜单，提示用户该如何使用该命令，如下所示。

不同版本的BSP，菜单选项可能有细微差别，但是只需按照上面提示的步骤一步一步操作即可完成编译。

4）目标文件烧录
到现在Linux系统的二进制文件全部编译完成了，那么怎么把生成的bin文件烧录到Flash中呢？这里推荐使用Segger J-Link工具。为方便调试，推荐分别下载安装Windows版本和Ubuntu下用的DEB版本。最好要安装5.0以上版本，也支持RZ/A1板8兆以上的二进制文件烧录。

在2.2节里解压的RSKRZA1-BSP-V1.1.1/Extra/ J-Link_QSPI_Program目录下，即包含了J-Link脚本工具，首先需要把上一步2.3 Section编译生成的二进制文件复制到该目录。该目录下Program_QSPI.bat文件可以运行在Windows环境，Program_QSPI.sh可以运行在Ubuntu环境，选择其中一个操作即可。执行该脚本后，提示如下选项，用户依次选择1、2、4、6、9项后即可完成整个Linux系统的烧录。

 
重新上电后，通过串口即可看到u-boot启动的命令提示行，这时输入命令”run xa_boot”即可启动Linux系统。

Linux应用程序的下载调试方法。
对于Linux应用程序的开发，大家可以借助Eclipse或者QT等工具，可以可视化配置交叉编译环境，也省了写Makefile文件的工作。由于本文篇幅有限，这里就不详细说明怎么使用这些工具进行应用程序开发了。

那么写好并编译完成的应用程序，怎么下载到RZ/A1的XIP Linux上运行测试呢？方法有多种，这里只介绍一种最有效的方法，就是把应用程序全部放在一个目录下，用axfs工具（该工具在Linux编译的时候会自动生成）把该目录也打包成axfs格式的映像文件。再用J-Link工具把该映像文件烧录到Flash指定的地址（如：0x1A000000）。在开发板的系统里使用如下命令把该区域挂载到Linux系统下，然后进入该挂载目录运行应用程序。

 
也可以把上面的内容添加到文件SNNxxx（NN代表两位数字，xxx代表字母,个数不限），使其具有可执行属性，然后放到根文件系统的/etc/init.d/目录下面，这样每次嵌入式Linux系统启动后，可以自动加载应用程序的axfs映像文件。
后记

后记

实际的Linux应用开发是比较复杂的，尤其驱动程序的移植等。本文在介绍有关操作时，由于篇幅有限描述比较粗略，主要起抛砖引玉的作用，让用户能够了解在RZ/A1平台上开发Linux是怎么一回事。后续如果有具体的项目开发，可以详细咨询世强。

作者：陈绪典