蘋果 M1 芯片引發(fā)行業(yè)大熱，芯片的發(fā)展也將影響著未來行業(yè)的走向。今天，隨著本文一起來看看如何把 Linux 移植到 M1。

自 2014 年 iPhone 6 發(fā)布以來，蘋果就在集中精力構(gòu)建更快的芯片，相對于在一塊芯片上加載更多核心，他們更加注重單線程性能的提高。他們內(nèi)部的硬件設(shè)計團隊采用了這種方法，并生產(chǎn)出了功能多樣且獨一無二的芯片，從而奠定了他們在架構(gòu)特征方面的行業(yè)領(lǐng)先地位。

2020 年 11 月，蘋果發(fā)布的新品臺式機搭載了 M1 處理器，不少人都為該系統(tǒng)的出色性能而贊不絕口。

事實上，Linux 之父 Linus Torvalds 也曾在國外 Real World Technologies 網(wǎng)站的留言板答網(wǎng)友提出的“如何看待新的（M1 芯片）蘋果電腦”問題時，回應(yīng)稱：

如果它運行 Linux ，我絕對希望擁有一臺。

此前，CSDN 也曾報道過安全顧問 Hector Martin 正在眾籌平臺 Patreon 上啟動了一項向 M1 Mac 移植 Linux 的項目（https://www.patreon.com/marcan），并且得到不少開發(fā)者的響應(yīng)。而本文作者也一直在努力為安全研究人員提供有關(guān)操作系統(tǒng)和程序如何在蘋果 ARM 處理器上運行的深刻見解。因此，當(dāng)蘋果決定允許在帶有M1處理器的 Mac 上安裝自定義內(nèi)核時，他們決定嘗試一番。

開始將 Linux 移植 M1

M1 的許多組件都是與蘋果的移動 SoC 共享的，因此可以從這個地方入手。但是，在編寫 Linux 驅(qū)動程序時發(fā)現(xiàn)，實際上蘋果的 SoC 非常不標準。由于筆者的虛擬環(huán)境非常靈活，能夠適應(yīng)多種模型，但在 Linux 上，64 位 ARM 主要依賴于一系列定義良好的組件和固件接口，但 M1 幾乎沒有使用任何這類的組件或固件接口。

首先，蘋果的 CPU 采用了不同的方式來引導(dǎo)操作系統(tǒng)內(nèi)核。引導(dǎo)加載程序（稱為 iBoot）加載一個 Mach-O 格式的可執(zhí)行目標文件，該文件支持壓縮，并封裝在一種經(jīng)過 ASN.1 簽名的 IMG4 格式中。與之相比，正常的 64 位 ARM 上的 Linux 則由一個普通的二進制鏡像引導(dǎo)（支持壓縮，也支持幾種容器格式），或者在 UEFI 平臺上由 Windows 風(fēng)格的“PE”可執(zhí)行文件引導(dǎo)。

CPU 核心啟動之后，真正的問題來了。在其他 64 位 ARM 系統(tǒng)上，這一步通常是通過 PSCI 接口調(diào)用固件（一些系統(tǒng)采用了輪詢表，但依然需要固件）。但在 M1 上，CPU 核心從一個 MMIO 寄存器指定的地址處開始（MMIO 寄存器由內(nèi)核鏡像設(shè)置成某個特定的偏移量，然后由引導(dǎo)程序鎖定），然后直接開始運行內(nèi)核。

除此之外，蘋果還設(shè)計了自己的中斷控制器 Apple Interrupt controller（簡稱 AIC），這個控制器與任何主流 ARM GIC 標準都不兼容。不僅如此，其定時器中斷并沒有像通常的 ARM 那樣連接到每個 CPU 中斷上，而是路由到 FIQ 上。FIQ 是一個很難理解的架構(gòu)特性，在老式的 32 位 ARM 處理器上經(jīng)常使用。很顯然，Linux 內(nèi)核并不支持通過 FIQ 發(fā)送中斷，所以我們必須自己實現(xiàn)。

系統(tǒng)內(nèi)的多個處理器互相通信需要一組處理器間中斷（IPI）。在舊的蘋果 SoC 上，這些中斷的處理方式與 IRQ 相似，即執(zhí)行 MMIO 并訪問 AIC。但在新的處理器上，蘋果使用了一組處理器核心寄存器來分發(fā)并通知 IPI，而且也路由到了 FIQ 上。所以 FIQ 的支持非常重要。

在處理了一些其他的硬件特性之后，筆者團隊添加了一個預(yù)加載器，作為啟動處理器核心的跳板，這樣就可以設(shè)置幀緩沖區(qū)，并看到 Linux 啟動時的企鵝了。

需要更多輸入

不幸地是，筆者團隊并沒能用上 M1 Mac 上的 UART 線，所以只能通過其他方式來添加鍵盤（甚至鼠標）。M1 Mac Mini 有三種方式來實現(xiàn)這一點：M1 芯片上內(nèi)置的 USB 宿主（提供 Thunderbolt/USB 接口），PCIe 上的 xHCI USB 宿主（提供 A 類接口），以及藍牙。

團隊并沒有打算深入研究蘋果的藍牙，但大家注意到它使用了一種非標準的 PCIe 協(xié)議，而且不僅需要使用 M1 芯片上的 PCIe 接口，還需要為該協(xié)議編寫自定義的內(nèi)核驅(qū)動程序。這不是個理想的選擇。

也就是說，只能選擇 PCEe 并使用標準的內(nèi)核 xHCI 驅(qū)動，或者使用內(nèi)置的 USB 控制器。蘋果很早以前就在其芯片里使用了 Synopsys DWC3 雙角色 USB 控制器，而且該控制器有 Linux 內(nèi)核驅(qū)動。不幸的是，蘋果又給該控制器添加了自定義的邏輯，所以這里也需要大量工作。

M1 的 PCIe 和內(nèi)置的 DWC3 USB 控制器都使用 IOMMU，稱為 DART。蘋果一直在改進其 DART 設(shè)計，因此 IOMMU 的功能很齊全。最新版甚至支持子頁面內(nèi)存保護，這是在其他控制器中從未有過的。

為了將 M1 中的 USB 端口連接到 Mac Mini 背后的 USB C 口連接器上，團隊需要使用 I2C 上的芯片（意味著需要提供 GPIO 和 I2C 驅(qū)動程序），這兩者都使用了自定義固件。

在研究了幾天 USB 后，大家終于能夠連接到外部的 USB 集線器上并成功地連上了鍵盤、鼠標和閃存盤，從此就可以運行正常的 Linux 桌面版了。

操作指南

下載 Ubuntu rootfs

在 Mac Mini M1 上引導(dǎo) Linux 的第一步就是下載 Ubuntu POC 的 rootfs。我們采用了樹莓派的鏡像，因為它是 live 版本的 USB 啟動鏡像，所以只需要做出細微的修改即可。

解壓縮鏡像

你需要至少 16 G 的外置 USB。執(zhí)行下列命令解壓縮鏡像：

tar-xjvfubuntu-20.10-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.bz2

然后，使用磁盤工具找到外部 USB 的名稱。最后，執(zhí)行下列命令將鏡像復(fù)制到 USB 上：

sudoddif=ubuntu-20.10-preinstalled-desktop-arm64+raspi.imgof=/dev/rYOURUSBDISKbs=1m

連接到 Mac

通過 USB C 口適配器，將 USB 插入 Mac Mini M1 上。目前不支持 A 口。

引導(dǎo)至

為了引導(dǎo)至 1TR（真正的恢復(fù)操作系統(tǒng)），請關(guān)閉 Mac Mini M1，然后按住電源鍵，直到看到“l(fā)oading options”。加載完成之后，從頂端的菜單中選擇終端選項。

安裝自定義內(nèi)核

下一步就是安裝自定義內(nèi)核。筆者團隊編寫了一個腳本來減輕你的負擔(dān)。只需要運行：

/bin/bash-c"$(curl-fsSLhttps://downloads.corellium.info/linuxsetup.sh)"

該腳本會詢問用戶名和密碼。看到“Kernel installed”提示后就可以重啟了。

登錄

系統(tǒng)引導(dǎo)之后就會提示你登錄。用戶名為“pi”，密碼為“raspberry”。root密碼也是“raspberry”。

恢復(fù) MacOS

如果想恢復(fù)至 MacOS，只需在 1TR 中打開終端，執(zhí)行 bputil -n 即可。

責(zé)任編輯：lq