Nommu Linux 移植到 NEORV32 AX301 — 詳細實施計劃

概述

將 nommu Linux (M-mode) 移植到黑金 AX301 上的 NEORV32 RV32IMAC 軟核，使用 32 MB SDRAM，通過 UART 控制台達到 BusyBox shell。

當前硬體狀態

組件	地址	狀態
IMEM	`0x00000000` (8 KB)	✅ 可用
SDRAM	`0x40000000` (32 MB)	✅ 已驗證
DMEM	`0x80000000` (8 KB)	✅ 可用
CLINT	`0xFFF40000`	✅ 已啟用
UART0	`0xFFF50000`	✅ 已啟用
GPIO	`0xFFFC0000`	✅ 已啟用
SPI	`0xFFF80000`	❌ 未啟用
ICACHE	64B blocks, non-burst	✅ 已啟用
DCACHE	—	❌ 未啟用
U-Boot	SDRAM `0x40000000`	✅ 已跑通
FPGA LE 使用率	4,136 / 6,272 (66%)	⚠️ 剩餘 34%

Phase 1：RTL 硬體準備

1.1 驗證 CLINT 兼容性（無需改動）

Tip

這一步不需要修改 RTL，只需驗證。

Linux 的 riscv,clint0 驅動期望的 CLINT 記憶體佈局：

BASE + 0x0000 : MSIP[0]     (4 bytes, 軟件中斷 pending)
BASE + 0x0004 : MSIP[1]     (下一個 hart，不用管)
...
BASE + 0x4000 : MTIMECMP[0] (8 bytes, hart 0 的定時器比較值)
BASE + 0x4008 : MTIMECMP[1] (hart 1, 不用管)
...
BASE + 0xBFF8 : MTIME       (8 bytes, 全局定時器)

NEORV32 的 CLINT 結構體 (neorv32_clint.h)：

typedef volatile struct {
  uint32_t    MSWI[4096];        // offset 0x0000, 4096 × 4 = 0x4000 bytes
  subwords64_t MTIMECMP[4095];   // offset 0x4000, 4095 × 8 = 0x7FF8 bytes
  subwords64_t MTIME;            // offset 0x4000 + 0x7FF8 = 0xBFF8
} neorv32_clint_t;

佈局計算：

MSWI[0] 在 BASE + 0x0000 → ✅ 對應 Linux 的 MSIP[0]
MTIMECMP[0] 在 BASE + 4096*4 = BASE + 0x4000 → ✅ 完全匹配
MTIME 在 BASE + 0x4000 + 4095*8 = BASE + 0xBFF8 → ✅ 完全匹配

Important

CLINT 佈局與 Linux 的 riscv,clint0 驅動 100% 兼容！不需要任何修改。 你的 CLINT 基址是 0xFFF40000，所以：

MSIP[0] = 0xFFF40000
MTIMECMP[0] = 0xFFF44000
MTIME = 0xFFF4BFF8

驗證方法（在 U-Boot 中測試）：

U-Boot> md 0xFFF4BFF8 2    # 讀取 MTIME，應該看到遞增的值
U-Boot> md 0xFFF4BFF8 2    # 再讀一次，值應該更大

1.2 增大 UART TX/RX FIFO（推薦改動）

當前配置 FIFO 深度為 1（ax301_top.vhd）：

IO_UART0_RX_FIFO => 1,   -- FIFO 深度 = 2^1 = 2 entries
IO_UART0_TX_FIFO => 1,   -- FIFO 深度 = 2^1 = 2 entries

Linux kernel 啟動時會輸出大量文字。浅 FIFO 會導致 UART 成為瓶頸，拖慢整個啟動過程。

建議修改 rtl/ax301_top.vhd：

IO_UART0_RX_FIFO => 4,   -- FIFO 深度 = 2^4 = 16 entries
IO_UART0_TX_FIFO => 4,   -- FIFO 深度 = 2^4 = 16 entries

Note

每增加 1 級 FIFO，大約消耗 16-32 個 LE。從 2^1 到 2^4 大約多用 100-200 LE。你有 ~2100 LE 剩餘，完全夠。

1.3 啟用 DCACHE（強烈推薦）

目前只有 ICACHE，data bus 每次訪問 SDRAM 都是直接走 XBUS → wb_sdram_ctrl → SDRAM。Linux 的 kernel data（棧、頁表結構、kmalloc 分配等）會頻繁讀寫 SDRAM，沒有 DCACHE 會極其慢。

修改 rtl/ax301_top.vhd：

DCACHE_EN        => true,    -- 啟用 DCACHE
-- DCACHE 預設使用和 ICACHE 相同的配置：
-- CACHE_BLOCK_SIZE => 64 (16 words per line)
-- 直接映射，1K 或 2K cache

Warning

DCACHE 的資源消耗估算：

DCACHE 需要額外的 M9K blocks 存儲 tag + data
你目前 M9K 使用 60%（166,912 / 276,480 bits）
一個 1KB 的 DCACHE 大約需要 8,192 bits (1 M9K block) data + ~1K tag
如果 M9K 不夠，可能需要縮小 IMEM（從 8KB 改為 4KB）

先嘗試加 DCACHE，看 Quartus 編譯是否通過。如果 M9K 不夠，再考慮取捨。

1.4 （可選）啟用 SPI

如果想在後續階段從 SPI Flash 或 SD 卡啟動 Linux（避免每次 xmodem），可以啟用 SPI：

IO_SPI_EN => true,

SPI 大約消耗 200-300 LE。目前有 2100+ LE 剩餘，可行。但初期先不啟用，等 Linux 跑通後再考慮。

1.5 RTL 修改摘要

[MODIFY] ax301_top.vhd

  -- Peripherals: only what we need
  IO_GPIO_NUM      => 4,
  IO_CLINT_EN      => true,
  IO_UART0_EN      => true,
- IO_UART0_RX_FIFO => 1,
- IO_UART0_TX_FIFO => 1,
+ IO_UART0_RX_FIFO => 4,   -- 16-entry FIFO for Linux console
+ IO_UART0_TX_FIFO => 4,   -- 16-entry FIFO for Linux console
  -- Everything else off
  IO_SPI_EN        => false,
  ...
  ICACHE_EN        => true,
  CACHE_BLOCK_SIZE => 64,
  CACHE_BURSTS_EN  => false,
- DCACHE_EN        => false
+ DCACHE_EN        => true   -- D-cache critical for SDRAM Linux performance

完成後：重新編譯 bitstream

cd quartus
quartus_sh --flow compile neorv32_demo
quartus_cpf -c -o bitstream_compression=off neorv32_demo.sof ../neorv32_demo_linux.rbf

驗證： 重新燒寫後，用 boot_uboot.py 確認 U-Boot 仍然能正常啟動。

Phase 2：構建 Linux 交叉編譯環境和 QEMU 驗證

2.1 安裝依賴

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y \
    git make gcc g++ bison flex libncurses-dev \
    bc cpio rsync unzip python3 perl wget \
    qemu-system-misc libssl-dev

2.2 下載 Buildroot

git clone https://github.com/buildroot/buildroot.git
cd buildroot
git checkout 2024.02.x   # LTS 分支，穩定

2.3 QEMU 上跑通 RV32 Nommu Linux

# 使用現成的 RISC-V 32 nommu 配置
make qemu_riscv32_nommu_virt_defconfig

# 構建（約 30-60 分鐘）
make -j$(nproc)

# 驗證構建成功
ls -la output/images/
# 應該看到: Image, loader, rootfs.cpio 等

# 啟動 QEMU
output/host/bin/qemu-system-riscv32 \
    -M virt -m 128M -nographic \
    -kernel output/images/loader \
    -device loader,file=output/images/Image,addr=0x80400000

成功標誌： 看到 Linux 啟動日誌，最終出現 ~ # BusyBox shell prompt。

Important

必須先在 QEMU 上成功後再進入下一步。 如果 QEMU 上都跑不通，硬體上更不可能。QEMU 階段的學習要點：

理解 make menuconfig 的 kernel 配置
理解 Buildroot 的目錄結構：output/build/linux-xxx/ 是 kernel 源碼
理解 DT（Device Tree）如何描述硬體

2.4 研究 QEMU Nommu 配置

QEMU 跑通後，提取關鍵配置作為後續參考：

# 查看 kernel 的 .config
cat output/build/linux-*/\.config | grep -E "RISCV|MMU|CLINT|NOMMU|M_MODE|UART"

# 查看 QEMU virt 的 DT
# 在 QEMU 中：
cat /proc/device-tree/compatible
cat /sys/firmware/devicetree/base/chosen/bootargs

Phase 3：為 NEORV32 創建 Buildroot 外部樹

3.1 目錄結構

mkdir -p ${PROJECT_DIR}
cd ${PROJECT_DIR}

mkdir -p board/neorv32_ax301/
mkdir -p configs/
mkdir -p linux/
mkdir -p package/neorv32-uart-driver/

最終結構：

${PROJECT_DIR}/
├── board/neorv32_ax301/
│   ├── neorv32_ax301.dts          ← Device Tree 源碼
│   ├── linux.config               ← Kernel 配置片段
│   └── post-build.sh              ← 構建後處理腳本
├── configs/
│   └── neorv32_ax301_defconfig    ← Buildroot 配置
├── linux/
│   └── linux.config               ← Kernel defconfig 覆蓋
└── Config.in                       ← Buildroot external tree

3.2 Device Tree（核心文件）

建立 board/neorv32_ax301/neorv32_ax301.dts：

/dts-v1/;

/ {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "neorv32,ax301";
    model = "NEORV32 on AX301 (EP4CE6)";

    chosen {
        bootargs = "earlycon=neorv32,0xfff50000 console=ttyNEO0,115200";
        stdout-path = &uart0;
    };

    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        timebase-frequency = <50000000>;  /* MTIME 以 CPU 時鐘頻率計數 */

        cpu0: cpu@0 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "riscv";
            riscv,isa = "rv32imac";
            riscv,isa-base = "rv32i";
            riscv,isa-extensions = "i", "m", "a", "c", "zicsr", "zifencei";
            mmu-type = "riscv,none";      /* 無 MMU = nommu */
            clock-frequency = <50000000>;
            reg = <0>;

            cpu0_intc: interrupt-controller {
                #interrupt-cells = <1>;
                compatible = "riscv,cpu-intc";
                interrupt-controller;
            };
        };
    };

    memory@40000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x40000000 0x02000000>;    /* 32 MB SDRAM */
    };

    /* CLINT — 與 SiFive CLINT 佈局 100% 兼容 */
    clint: clint@fff40000 {
        compatible = "riscv,clint0";
        reg = <0xfff40000 0x10000>;       /* 64 KB 空間 */
        interrupts-extended = <&cpu0_intc 3>,   /* M-mode 軟件中斷 */
                              <&cpu0_intc 7>;   /* M-mode 定時器中斷 */
    };

    /* UART0 — 使用自定義 NEORV32 UART 驅動 */
    uart0: serial@fff50000 {
        compatible = "neorv32,uart";
        reg = <0xfff50000 0x08>;          /* CTRL + DATA = 8 bytes */
        clock-frequency = <50000000>;
        current-speed = <115200>;
        /*
         * UART0 使用 FIRQ #2 (cpu_firq[2])
         * FIRQ 映射到 mie/mip 的 bit [16+n]
         * 在 M-mode 下，外部中斷走 mcause
         * 先用 polling 方式，中斷支持在後期添加
         */
    };

    /* GPIO — 4-bit, LED 控制 */
    gpio: gpio@fffc0000 {
        compatible = "neorv32,gpio";
        reg = <0xfffc0000 0x08>;
        /* 初期不需要 GPIO 驅動，僅作為調試用 */
    };
};

3.3 Linux Kernel 配置片段

建立 board/neorv32_ax301/linux.config：

# ── 架構 ──
CONFIG_RISCV=y
CONFIG_ARCH_RV32I=y
CONFIG_RISCV_ISA_C=y
CONFIG_RISCV_ISA_M=y

# ── M-mode Nommu ──
CONFIG_MMU=n
CONFIG_RISCV_M_MODE=y

# ── 記憶體 ──
CONFIG_PAGE_OFFSET=0x40000000
CONFIG_PHYS_RAM_BASE=0x40000000
CONFIG_DEFAULT_MEM_START=0x40000000
CONFIG_DEFAULT_MEM_SIZE=0x02000000

# ── 定時器 ──
CONFIG_CLINT_TIMER=y

# ── 控制台（初期用 earlycon polling） ──
CONFIG_SERIAL_EARLYCON=y
CONFIG_EARLY_PRINTK=y
CONFIG_PRINTK=y

# ── 文件系統 ──
CONFIG_BLK_DEV_INITRD=y
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=""
# Buildroot 會自動設置 initramfs

# ── 精簡配置（關閉不需要的） ──
CONFIG_NET=n
CONFIG_BLOCK=n
CONFIG_MODULES=n
CONFIG_SMP=n
CONFIG_SWAP=n
CONFIG_PROC_FS=y
CONFIG_SYSFS=y
CONFIG_TMPFS=y

# ── 調試 ──
CONFIG_DEBUG_KERNEL=y
CONFIG_DEBUG_INFO=y
CONFIG_PANIC_TIMEOUT=0
CONFIG_STACKTRACE=y

3.4 Buildroot defconfig

建立 configs/neorv32_ax301_defconfig：

# 架構
BR2_riscv=y
BR2_RISCV_32=y
BR2_riscv_custom=y
BR2_RISCV_ISA_RVM=y
BR2_RISCV_ISA_RVA=y
BR2_RISCV_ISA_RVC=y
BR2_RISCV_ABI_ILP32=y

# 工具鏈
BR2_TOOLCHAIN_BUILDROOT=y
BR2_TOOLCHAIN_BUILDROOT_MUSL=y

# Kernel
BR2_LINUX_KERNEL=y
BR2_LINUX_KERNEL_CUSTOM_VERSION=y
BR2_LINUX_KERNEL_CUSTOM_VERSION_VALUE="6.6"
BR2_LINUX_KERNEL_USE_CUSTOM_CONFIG=y
BR2_LINUX_KERNEL_CUSTOM_CONFIG_FILE="$(BR2_EXTERNAL_NEORV32_PATH)/board/neorv32_ax301/linux.config"
BR2_LINUX_KERNEL_DTS_SUPPORT=y
BR2_LINUX_KERNEL_CUSTOM_DTS_PATH="$(BR2_EXTERNAL_NEORV32_PATH)/board/neorv32_ax301/neorv32_ax301.dts"

# Root filesystem
BR2_TARGET_ROOTFS_CPIO=y
BR2_TARGET_ROOTFS_INITRAMFS=y

# BusyBox (默認配置即可)
BR2_PACKAGE_BUSYBOX=y

# 其他
BR2_TARGET_GENERIC_HOSTNAME="neorv32"
BR2_TARGET_GENERIC_ISSUE="Welcome to NEORV32 Linux"
BR2_SYSTEM_DEFAULT_PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"

Phase 4：Linux Kernel 驅動開發

4.1 UART earlycon（最先實現，最關鍵）

earlycon 是 kernel 啟動最早期的輸出通道。沒有它，你看不到任何啟動日誌，等於盲調。

earlycon 只需要一個 putchar() 函數，不需要中斷，純 polling。

NEORV32 UART 寄存器佈局（neorv32_uart.h）：

offset 0x00: CTRL 寄存器 (32-bit)
  bit 0:     EN (全局使能)
  bit 18:    TX_EMPTY (TX FIFO 空)
  bit 19:    TX_NFULL (TX FIFO 未滿)
  bit 16:    RX_NEMPTY (RX FIFO 非空)
  bit 31:    TX_BUSY (發送忙)

offset 0x04: DATA 寄存器 (32-bit)
  bit [7:0]: 讀 = 收到的字節, 寫 = 要發送的字節

earlycon 驅動實現 — 新建 drivers/tty/serial/earlycon-neorv32.c：

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * Early console driver for NEORV32 UART
 */
#include <linux/console.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/serial_core.h>

#define NEORV32_UART_CTRL    0x00
#define NEORV32_UART_DATA    0x04
#define UART_CTRL_TX_NFULL   (1 << 19)

static void neorv32_earlycon_putchar(struct uart_port *port, unsigned char ch)
{
    /* 等待 TX FIFO 有空位 */
    while (!(readl(port->membase + NEORV32_UART_CTRL) & UART_CTRL_TX_NFULL))
        ;
    writel(ch, port->membase + NEORV32_UART_DATA);
}

static void neorv32_earlycon_write(struct console *con,
                                    const char *s, unsigned int n)
{
    struct earlycon_device *dev = con->data;
    uart_console_write(&dev->port, s, n, neorv32_earlycon_putchar);
}

static int __init neorv32_earlycon_setup(struct earlycon_device *dev,
                                          const char *options)
{
    if (!dev->port.membase)
        return -ENODEV;

    dev->con->write = neorv32_earlycon_write;
    return 0;
}

EARLYCON_DECLARE(neorv32, neorv32_earlycon_setup);
OF_EARLYCON_DECLARE(neorv32, "neorv32,uart", neorv32_earlycon_setup);

4.2 完整 UART tty 驅動

完整驅動需要實現 struct uart_ops。初期用純 polling 方式，不用中斷：

新建 drivers/tty/serial/neorv32_uart.c：

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/*
 * NEORV32 UART serial driver (polling mode)
 */
#include <linux/console.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/tty_flip.h>

#define DRIVER_NAME     "neorv32-uart"
#define DEV_NAME        "ttyNEO"
#define NEORV32_UART_NR 1

/* 寄存器偏移 */
#define NEORV32_UART_CTRL    0x00
#define NEORV32_UART_DATA    0x04

/* CTRL 寄存器位 */
#define CTRL_EN              (1 << 0)
#define CTRL_PRSC_SHIFT      3
#define CTRL_PRSC_MASK       (0x7 << CTRL_PRSC_SHIFT)
#define CTRL_BAUD_SHIFT      6
#define CTRL_BAUD_MASK       (0x3FF << CTRL_BAUD_SHIFT)
#define CTRL_RX_NEMPTY       (1 << 16)
#define CTRL_RX_FULL         (1 << 17)
#define CTRL_TX_EMPTY        (1 << 18)
#define CTRL_TX_NFULL        (1 << 19)
#define CTRL_TX_BUSY         (1 << 31)

/* DATA 寄存器 */
#define DATA_MASK            0xFF

/* ----- uart_ops callbacks ----- */

static unsigned int neorv32_tx_empty(struct uart_port *port)
{
    return (readl(port->membase + NEORV32_UART_CTRL) & CTRL_TX_EMPTY)
           ? TIOCSER_TEMT : 0;
}

static void neorv32_set_mctrl(struct uart_port *port, unsigned int mctrl) {}
static unsigned int neorv32_get_mctrl(struct uart_port *port) { return TIOCM_CAR; }
static void neorv32_stop_tx(struct uart_port *port) {}
static void neorv32_stop_rx(struct uart_port *port) {}

static void neorv32_start_tx(struct uart_port *port)
{
    struct circ_buf *xmit = &port->state->xmit;
    while (!uart_circ_empty(xmit)) {
        if (!(readl(port->membase + NEORV32_UART_CTRL) & CTRL_TX_NFULL))
            break;
        writel(xmit->buf[xmit->tail], port->membase + NEORV32_UART_DATA);
        uart_xmit_advance(port, 1);
    }
}

static int neorv32_startup(struct uart_port *port)
{
    /* UART 已由 U-Boot 初始化，here 只需確保 EN 位 */
    uint32_t ctrl = readl(port->membase + NEORV32_UART_CTRL);
    writel(ctrl | CTRL_EN, port->membase + NEORV32_UART_CTRL);
    return 0;
}

static void neorv32_shutdown(struct uart_port *port) {}

static void neorv32_set_termios(struct uart_port *port,
                                 struct ktermios *new,
                                 const struct ktermios *old)
{
    /* 暫時不支持動態改 baud rate，使用 U-Boot 設好的 115200 */
    unsigned int baud = uart_get_baud_rate(port, new, old, 9600, 115200);
    uart_update_timeout(port, new->c_cflag, baud);
}

static const char *neorv32_type(struct uart_port *port)
{
    return "NEORV32_UART";
}

static void neorv32_config_port(struct uart_port *port, int flags)
{
    port->type = PORT_UNKNOWN;  /* 或定義一個 PORT_NEORV32 */
}

/* polling 定時器回調：檢查 RX */
static void neorv32_poll_get_char(struct uart_port *port)
{
    uint32_t ctrl = readl(port->membase + NEORV32_UART_CTRL);
    if (ctrl & CTRL_RX_NEMPTY) {
        uint32_t data = readl(port->membase + NEORV32_UART_DATA);
        unsigned char ch = data & DATA_MASK;
        uart_insert_char(port, 0, 0, ch, TTY_NORMAL);
        tty_flip_buffer_push(&port->state->port);
    }
}

static const struct uart_ops neorv32_uart_ops = {
    .tx_empty     = neorv32_tx_empty,
    .set_mctrl    = neorv32_set_mctrl,
    .get_mctrl    = neorv32_get_mctrl,
    .stop_tx      = neorv32_stop_tx,
    .start_tx     = neorv32_start_tx,
    .stop_rx      = neorv32_stop_rx,
    .startup      = neorv32_startup,
    .shutdown     = neorv32_shutdown,
    .set_termios  = neorv32_set_termios,
    .type         = neorv32_type,
    .config_port  = neorv32_config_port,
};

/* ... platform driver probe/remove + console registration ... */
/* 這裡省略了完整的 platform_driver 註冊代碼 */
/* 你需要參考 drivers/tty/serial/uartlite.c 作為模板 */

Tip

推薦參考的 Linux serial 驅動（結構簡單、適合學習）：

drivers/tty/serial/uartlite.c — Xilinx UARTLite，最簡單的 UART 驅動
drivers/tty/serial/liteuart.c — LiteX UART，也是 FPGA 軟核的驅動
U-Boot 的 drivers/serial/serial_neorv32.c — NEORV32 UART 在 U-Boot 中的實現

4.3 FIRQ 中斷控制器驅動（Phase 4 後期）

NEORV32 的 FIRQ（Fast Interrupt Request）系統：

16 個通道，通過 mie CSR 的 bit [16..31] 控制啟用
通過 mip CSR 的 bit [16..31] 檢測 pending
mcause 的異常碼：FIRQ #n = 0x80000010 + n
UART0 = FIRQ #2（mie bit 18，mcause = 0x80000012）

初期先跳過中斷驅動，全部用 polling。 等 Linux 成功啟動到 shell 後，再添加 FIRQ irqchip 驅動以提升性能。

Phase 5：Kernel 構建與啟動調試

5.1 將驅動整合到 Kernel 源碼

# 假設 kernel 源碼在 buildroot output 中
KERN_SRC=${BUILDROOT}/output/build/linux-6.6/

# 複製驅動文件
cp earlycon-neorv32.c $KERN_SRC/drivers/tty/serial/
cp neorv32_uart.c     $KERN_SRC/drivers/tty/serial/

修改 $KERN_SRC/drivers/tty/serial/Makefile：

obj-y += earlycon-neorv32.o
obj-y += neorv32_uart.o

修改 $KERN_SRC/drivers/tty/serial/Kconfig：

config SERIAL_NEORV32
    bool "NEORV32 UART support"
    depends on RISCV
    select SERIAL_CORE
    help
      NEORV32 RISC-V SoC UART driver.

5.2 構建 Kernel + initramfs

cd ${BUILDROOT}

# 如果使用外部樹：
# make BR2_EXTERNAL=${PROJECT_DIR} neorv32_ax301_defconfig

# 或者手動配置
make menuconfig
# 設置 kernel 配置、DT 路徑等

make -j$(nproc)

構建産物：

output/images/Image — Linux kernel 二進制（~1-3 MB）
output/images/rootfs.cpio — 根文件系統（BusyBox, ~500 KB-1 MB）
需要自己編譯 DTS → DTB

# 編譯 Device Tree
dtc -I dts -O dtb -o neorv32_ax301.dtb neorv32_ax301.dts

5.3 通過 U-Boot 加載並啟動

記憶體佈局規劃：

0x40000000 : U-Boot（已佔用，boot 後不再需要）
0x40200000 : Linux kernel Image
0x40F00000 : DTB (Device Tree Blob)
0x41000000 : initramfs (rootfs.cpio)

方法 A：使用 U-Boot loady + bootm

# 終端 1：minicom 連接板子
minicom -b 115200 -D /dev/ttyUSB0

# 在 U-Boot> 提示符下：
U-Boot> loady 0x40200000      # 然後用 minicom 的 ymodem 傳送 Image
U-Boot> loady 0x40F00000      # 傳送 neorv32_ax301.dtb
U-Boot> loady 0x41000000      # 傳送 rootfs.cpio

# 啟動
U-Boot> bootm 0x40200000 0x41000000 0x40F00000

方法 B：修改 boot_uboot.py 自動化

擴展你的 boot_uboot.py，在 U-Boot prompt 後自動發送 kernel：

# 在 U-Boot> 後：
# 1. 通過 U-Boot 的 loady 命令 + ymodem 發送 Image
# 2. 發送 DTB
# 3. 發送 initramfs
# 4. 發送 bootm 命令啟動

方法 C：將 initramfs 編入 kernel

最簡單的方式 — 在 kernel 配置中指定 initramfs 源：

CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="/path/to/rootfs.cpio"

這樣只需傳送 一個文件（kernel Image 已包含 rootfs），加上一個 DTB：

U-Boot> loady 0x40200000      # Image (含 initramfs)
U-Boot> loady 0x40F00000      # DTB
U-Boot> bootm 0x40200000 - 0x40F00000

5.4 啟動調試檢查清單

[ ] earlycon 有輸出（最早的 "Booting Linux..." 字樣）
[ ] 看到 "Linux version X.X.X ..."
[ ] 看到 "Machine model: NEORV32 on AX301"
[ ] 看到 "Memory: 32MB ..."
[ ] 看到 "CLINT: ..." 定時器初始化
[ ] 看到 "console [ttyNEO0] enabled"
[ ] 看到 "Freeing unused kernel memory..."
[ ] 看到 "~ #" BusyBox shell prompt  🎉

常見問題排查

現象	可能原因	解決方案
完全無輸出	earlycon 未工作	檢查 DT `chosen/stdout-path`，確認 `earlycon=` 參數
亂碼	baud rate 不對	確認 kernel 和 UART 都是 115200
卡在 "Booting Linux..."	kernel entry point 錯誤	檢查 `CONFIG_PHYS_RAM_BASE`，確認 Image 加載地址
"Unable to handle kernel paging request"	記憶體地址配置錯誤	檢查 DT `memory` 節點，`CONFIG_PAGE_OFFSET`
定時器不工作（卡住不動）	CLINT 地址或佈局問題	在 U-Boot 中 `md 0xFFF4BFF8` 確認 MTIME 在跑
"Kernel panic - not syncing: No init found"	initramfs 未正確加載	用方法 C 編入 kernel
非常慢（幾分鐘沒反應）	無 DCACHE	回到 Phase 1.3 啟用 DCACHE

Phase 6：優化與擴展（Linux 跑通後）

6.1 添加 FIRQ 中斷支持

寫 irq-neorv32-firq.c irqchip 驅動，使 UART RX 可以用中斷而非 polling。

6.2 啟用 SPI 並接 SD 卡

RTL 中啟用 IO_SPI_EN => true
寫/移植 SPI 驅動
掛載 FAT 文件系統
從 SD 卡加載 kernel（告別 xmodem）

6.3 性能調優

調整 ICACHE/DCACHE 大小
嘗試啟用 CACHE_BURSTS_EN（需修改 SDRAM 控制器支持 burst）
增大 UART FIFO

開放問題（需你確認）

Important

DCACHE 資源：你願意先嘗試啟用 DCACHE 看 Quartus 能否編譯通過嗎？如果 M9K 不夠，是否願意把 IMEM 從 8 KB 縮小到 4 KB？（stage2_loader 是否能放進 4 KB？）
Kernel 版本：Buildroot 2024.02 默認 kernel 6.6 LTS。你有偏好的 kernel 版本嗎？
啟動方式：你偏好哪種方式傳送 kernel 到板子？
- (A) 手動用 minicom + ymodem（最靈活，但慢）
- (B) 修改 boot_uboot.py 自動化（一鍵啟動）
- (C) initramfs 編入 kernel，只傳一個文件

驗證計劃

自動化測試

在 QEMU 上用 Buildroot 的 qemu_riscv32_nommu_virt_defconfig 構建並啟動
在 QEMU 中執行 cat /proc/cpuinfo, free, ps, ls / 確認功能正常

硬體測試

修改 RTL 後用 quartus_sh --flow compile 編譯，檢查資源使用率
燒寫新 bitstream 後確認 U-Boot 仍正常
在 U-Boot 中用 md 驗證 CLINT MTIME 遞增
加載 kernel + DTB，觀察 earlycon 輸出

FilesExpand file tree

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Latest commit

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File metadata and controls

Nommu Linux 移植到 NEORV32 AX301 — 詳細實施計劃

概述

當前硬體狀態

Phase 1：RTL 硬體準備

1.1 驗證 CLINT 兼容性（無需改動）

1.2 增大 UART TX/RX FIFO（推薦改動）

1.3 啟用 DCACHE（強烈推薦）

1.4 （可選）啟用 SPI

1.5 RTL 修改摘要

[MODIFY] ax301_top.vhd

Phase 2：構建 Linux 交叉編譯環境和 QEMU 驗證

2.1 安裝依賴

2.2 下載 Buildroot

2.3 QEMU 上跑通 RV32 Nommu Linux

2.4 研究 QEMU Nommu 配置

Phase 3：為 NEORV32 創建 Buildroot 外部樹

3.1 目錄結構

3.2 Device Tree（核心文件）

3.3 Linux Kernel 配置片段

3.4 Buildroot defconfig

Phase 4：Linux Kernel 驅動開發

4.1 UART earlycon（最先實現，最關鍵）

4.2 完整 UART tty 驅動

4.3 FIRQ 中斷控制器驅動（Phase 4 後期）

Phase 5：Kernel 構建與啟動調試

5.1 將驅動整合到 Kernel 源碼

5.2 構建 Kernel + initramfs

5.3 通過 U-Boot 加載並啟動

5.4 啟動調試檢查清單

常見問題排查

Phase 6：優化與擴展（Linux 跑通後）

6.1 添加 FIRQ 中斷支持

6.2 啟用 SPI 並接 SD 卡

6.3 性能調優

開放問題（需你確認）

驗證計劃

自動化測試

硬體測試