Linux如何移植到Apple Silicon M1 Mac mini

1.Apple

当苹果在2020年11月发布带有M1处理器的台式机产品时，许多技术界人士对这些系统的出色性能感到惊讶。但是那些一直关注苹果电话芯片组发展的人们都知道，苹果公司遵循的进化道路将产生强大的64位ARM处理器。

自Corelium 6于2014年发布以来，我们一直在Corellium上追踪Apple移动生态系统，该版本具有两个64位内核。从那时起，苹果一直将精力集中在构建更快的芯片上，而不是在芯片上投入更多的内核，而是更喜欢提高单线程性能。他们内部的硬件设计团队采用了这种方法，并产生了具有广泛功能集的独特部件，从而在架构功能方面处于业界领先地位。

在CPU内核和外围设备方面，这也使Apple芯片与所有其他64位ARM硬件完全不同。我们的Corellium虚拟化平台一直在为安全研究人员提供有关Apple ARM处理器上的操作系统和程序工作方式的无与伦比的见解。但是，在开发虚拟化系统的过程中，我们还获得了有关正在建模的硬件的知识，并且可以通过对真实硬件进行测试来最好地完善这些知识-我们只能在出现checkm8时才能做到这一点，使我们可以将程序加载到Apple智能手机上的漏洞。这直接导致了Sandcastle项目，我们在2020年初为A10处理器构建了内核端口。

因此，当Apple决定允许在具有M1处理器的Mac上安装自定义内核时，我们很高兴尝试构建另一个Linux端口，以加深我们对硬件平台的了解。在为安全性研究产品创建处理器模型时，我们正在并行处理Linux端口。

2.启动端口

M1的许多组件与Apple移动SoC共享，这为我们提供了良好的起点。但是，在编写Linux驱动程序时，非常明显的是非标准Apple SoC的真实情况。我们的虚拟环境在可以容纳的模型方面非常灵活；但是在Linux方面，64位ARM领域主要依靠一套定义明确的构建块和固件接口-在M1上几乎没有使用。

首先，Apple CPU以不同的方式引导操作系统内核。引导加载程序（通常称为iBoot）以称为Mach-O的格式加载可执行的目标文件，可以选择将其压缩并包装为基于签名的基于ASN.1的包装器格式，称为IMG4。为了进行比较，普通的Linux在64位ARM上以平面二进制映像（可选地压缩并以少数几种容器格式之一）开始，或者在UEFI平台上以Windows风格的“ PE”可执行文件开始。

但是，真正的惊喜始于更多的CPU内核。在其他64位ARM系统上，这是通过通过称为PSCI的接口调用固件来完成的（少数系统使用轮询表，但固件仍由轮询表负责）。但是在M1上，CPU内核从MMIO寄存器指定的地址（设置为内核映像中的特定偏移量，然后由引导加载程序锁定）开始，然后简单地开始运行内核。

如果这还不够的话，Apple设计了自己的中断控制器，即Apple中断控制器（AIC），它与两种主要的ARM GIC标准都不兼容。不仅如此：计时器中断（通常与ARM上的每CPU常规中断连接）被路由到FIQ（一种强大的体系结构功能），在旧的32位ARM时代更为常见。自然，Linux内核不支持通过FIQ路径传递任何中断，因此我们必须添加它。

当您尝试使系统中的多个处理器相互通信时，必须提供一组处理器间中断（IPI）。在较旧的Apple SoC上，通过执行对AIC的MMIO访问，与IRQ的处理方式类似。但是在较新的版本上，Apple使用一组处理器核心寄存器来调度和确认IPI，它们又以FIQ的形式提供。因此，FIQ支持确实非常重要。幸运的是，我们在安全研究产品中对虚拟模型的研究已经为我们做好了准备。

在解决了一些额外的硬件问题之后，添加了一个预加载器，该预加载器充当Linux的包装器，并为启动处理器内核提供了蹦床，我们可以设置一个帧缓冲区，并看到代表该处理器八个内核的八只企鹅M1。

3.需要输入！

不幸的是，由于我们没有用于M1 Mac的UART电缆，因此我们不得不寻找另一种添加键盘（甚至鼠标）的方法。在M1 Mac Mini上实现此功能的方法基本上有以下三种：M1芯片中的内置USB主机（用于Thunderbolt / USB端口），PCIe上的xHCI USB主机（用于A型端口）和蓝牙。

虽然我们不会详细介绍Apple蓝牙，但我们会注意到它使用了我们的虚拟化产品支持的基于非标准PCIe的协议，不仅需要在M1芯片上提供PCIe端口，而且还为此协议编写了​​定制的内核驱动程序。这似乎是快速完成此任务的最坏选择。

这意味着我们可以选择使用PCIe和使用标准内核xHCI驱动程序，还是使用内置USB控制器。苹果已经在其芯片中使用Synopsys DWC3双角色USB控制器已有一段时间了，并且它具有Linux内核驱动程序。不幸的是，Apple还习惯于在控制器周围添加自定义逻辑，因此最终需要做很多工作。

M1上的PCIe和内置DWC3 USB控制器都使用IOMMU（称为DART）。苹果一直在以一致的，不断发展的方式完善其DART设计，从而产生了出色的，功能齐全的IOMMU。最新版本甚至还支持子页面内存保护，这在其他地方很少见。（上个月，我们在IOMMU和其他类似设备上发表了一篇博客文章。）

要将M1内的USB端口实际连接到Mac Mini背面的USB C型连接器，我们必须与I2C上的芯片进行交互（这意味着GPIO和I2C驱动程序），该芯片具有定制的固件。在构建虚拟模型时，我们已经看到了这些协议的协议。如果您对系统有鸟瞰的话，这也就不足为奇了。

经过几天的研究，我们终于能够连接一个外部USB集线器并连接一个键盘，鼠标和一个闪存驱动器，从而为运行普通的桌面Linux发行版提供了可能性。