《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MIPS32架構(gòu)的Linux操作系統(tǒng)移植
電子發(fā)燒友
摘要: 本文以實(shí)際項(xiàng)目中一個(gè)MIPS32架構(gòu)的CPU和板級系統(tǒng)為例,闡述了如何將Linux操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)平臺上。
關(guān)鍵詞: MIPS MIPS32 LINUX操作系統(tǒng)
Abstract:
Key words :

  本文以實(shí)際項(xiàng)目中一個(gè)MIPS32" title="MIPS32">MIPS32架構(gòu)的CPU和板級系統(tǒng)為例,闡述了如何將Linux操作系統(tǒng)" title="Linux操作系統(tǒng)">Linux操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)平臺上。

  1 目標(biāo)平臺概述

  本文所討論的開發(fā)平臺采用的CPU是同濟(jì)大學(xué)微電子中心自主開發(fā)的BC320處理器,采用MIPS 4KC的體系結(jié)構(gòu),帶MMU、無浮點(diǎn)協(xié)處理器、標(biāo)準(zhǔn)5段流水線,指令及數(shù)據(jù)Cache的大小各為4KB,尋址空間為4GB,其中0x00000000-0x7fffffff為用戶空間,0x80000000-0xffffffff為核心空間,板級系統(tǒng)采用了PMC的PM8172芯片組,支持最高128MB的SDRAM,BOOT ROM的地址空間是0x1fc00000-0x1fffffff。

  2 Linux交叉編譯環(huán)境的建立及內(nèi)核配置和編譯

  在進(jìn)行實(shí)際的Linux操作系統(tǒng)移植之前,需要在宿主機(jī)上建立圖1所示的MIPS的交叉編譯環(huán)境,以便能在普通PC機(jī)上通過交叉編譯工具來調(diào)試運(yùn)行在目標(biāo)開發(fā)板上的程序。

  建立MIPS交叉編譯環(huán)境的主要工具有binutils、GCC、glibc以及作為調(diào)試器的gdb等,其中binutils為二進(jìn)制文件的處理工具,它主要包括一些輔助開發(fā)工具,例如:readelf可顯示elf文件信息及段信息;nm可列出程序的符號表;strip將不必要的代碼去掉以減小可執(zhí)行文件,objdump可用來顯示返匯編代碼等,GCC是GNU提供的支持多種輸入高級語言與多種輸出機(jī)器碼的編譯器,是Linux操作系統(tǒng)的配套編譯器,支持Linux所采用的擴(kuò)展C語言。glibc是連接和運(yùn)行庫,由于此鏈接和運(yùn)行庫須運(yùn)行在目標(biāo)開發(fā)板上,所以必須用先前建立的交叉編譯器對其進(jìn)行編譯,如圖內(nèi)核大小要求較為苛刻。還可以使用uclibc等其他鏈接和運(yùn)行庫作為glibc的替代品,此外,若不是從硬盤啟動(dòng),則還須為Linux制作ramdisk。在ramdisk上,除了要安放/dev(放置Linux操作系統(tǒng)所需要的設(shè)備文件)、/etc(放置Linux系統(tǒng)配置文件)、/lib(放置交叉編譯后生成的庫文件)等目錄及其下的文件外,還需要在/bin和/sbin下放置各種系統(tǒng)必需的命令程序,如shell、init、vi等,為此需要busybox或者tinylogin等專為Linux操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)工具程序。凡此種種,都可以在GNU旗下的網(wǎng)站下載并自由修改其源代碼。

  

 

  由于Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核源代碼支持各種不同的體系結(jié)構(gòu)和不同的應(yīng)用需要,所以在使用交叉譯碼器編譯前還需要進(jìn)行內(nèi)核的配置工作,包括選擇處理器的體系結(jié)構(gòu)、文件系統(tǒng)的種類、板級支持,對設(shè)備驅(qū)動(dòng)的支持以及是否使用ramdisk等。配置工具包括make config、make menuconfig、make xconfig,推薦使用操作界面更為良好的make menuconfig及make xconfig。在內(nèi)核配置工作完成后即可進(jìn)行內(nèi)核編譯工作,Linux源代碼提供的強(qiáng)大的makefile功能,使得復(fù)雜的編譯過程操作起來并不困難。

  關(guān)于Linux交叉編譯環(huán)境的建立及內(nèi)核配置和編譯的詳細(xì)流程,在《Building Embedded Linux Systems》(Karim Yaghmour著)內(nèi)有詳細(xì)的論述,本文為此不再贅述。

  3 Linux移植中實(shí)際指令集小于標(biāo)準(zhǔn)MIPS指令集的問題

  隨著軟件可移植問題在整個(gè)軟件方法學(xué)中重要性的日益增長,各種大型軟件無不把提高自身的跨平臺性作為軟件設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一。為此,Linux提供了對應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)各大主流體系結(jié)構(gòu)的支持,僅以MIPS體系結(jié)構(gòu)為例,Linux操作系統(tǒng)2.4.26版本的內(nèi)核就支持幾乎所有32位和64位不同版本的MIPS架構(gòu),為操作系統(tǒng)的移植工作提供了巨大的便利。然而,處于種種原因(諸如專利保護(hù)或特殊應(yīng)用),有相當(dāng)一部分采用MIPS體系結(jié)構(gòu)的芯片產(chǎn)品只提供了標(biāo)準(zhǔn)的MIPS指令集的一個(gè)子集。一旦內(nèi)核代碼在編譯完成后生成了不屬于實(shí)際指令集的指令,CPU將發(fā)生保留指令例外,可以說,當(dāng)體系結(jié)構(gòu)間的差異不再成為最主要的移植工作時(shí),如何邏輯等效地消除實(shí)際指令集和標(biāo)準(zhǔn)指令集間的差異成了Linux移植工作中最重要的一環(huán),由于MIPS的專利保護(hù),相當(dāng)多MIPS兼容芯片的開發(fā)者并未對指令集的4條非對齊存取指令(lwl、lwr、swl、swr)加以實(shí)現(xiàn),如Realtek RTL8181"Wireless LAN Access Point/Gateway Controller"等,下文將以同濟(jì)大學(xué)自主開發(fā)的BC320芯片為例,從修改內(nèi)核源代碼、修改編譯器及匯編器這兩個(gè)方面出發(fā),討論如何解決4條非對齊存取指令未被實(shí)現(xiàn)的問題,由于編譯器及匯編器的修改涉及編譯原理方面的知識,不在本文范圍之內(nèi),所以將把重點(diǎn)放在討論修改內(nèi)核源代碼的方法上,對GCC和GAS修改的基本知識僅作一般介紹。

  3.1 修改內(nèi)核源代碼中的保留指令例外處理程序

  當(dāng)CPU執(zhí)行到未被實(shí)現(xiàn)的機(jī)器碼時(shí),將會(huì)發(fā)生reserved instruction exception,然后根據(jù)例外的種類跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的例外處理程序入口處。借助于編寫對應(yīng)的例外處理程序,可以為被實(shí)際指令集實(shí)現(xiàn)但又屬于標(biāo)準(zhǔn)指令集的指令(Iwl、lwr、swl、swr為例)提供邏輯等效的替換方法。在Linux內(nèi)核源(以2.4.26版本為例)代碼的目錄樹下進(jìn)入.\arch\mips\kernal目錄,打開traps.c文件,并添加simulate_lxRI函數(shù),代碼如下:

 

  

 

  其中:_OP_為宏操作,可取出32位機(jī)器碼中的操作碼以判斷操作類型;0x22對應(yīng)于lwl指令、0x26對應(yīng)于lwr指令,0x2A對應(yīng)于swl指令,而0x2E則對應(yīng)于swr指令。程序?qū)⒏鶕?jù)不同的操作碼進(jìn)入不同的替代程序。va和byte變量則計(jì)算出4條非對齊指令的偏移量。

  完成代碼后將此函數(shù)添加到同一文件的do_ri函數(shù)中去,此函數(shù)即負(fù)責(zé)處理Linux操作系統(tǒng)的保留指令例外,添加的代碼為:

  if(simulate_lxRI(regs,opcode)){

  compute_return_epc(regs);

  return;

  }

  即當(dāng)simulate_lxRI正確處理完非對齊存取指令并返回1后,系統(tǒng)將通過compute_return_epc函數(shù)把epc寄存器的值放回pc寄存器并返回;否則,繼續(xù)處理do_ri中其他的例外處理程序。

  這一方法工作量小,容易保證修改后的等效性,大多數(shù)熟悉C語言的程序員來說都是易于掌握的。在軟硬件協(xié)同開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期具有很大的實(shí)際使用價(jià)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可快速建立原型機(jī)跑通操作系統(tǒng),以驗(yàn)證軟硬件的正確性。但由于其采用的是例外處理的方式,若頻繁發(fā)生例外則將影響系統(tǒng)性能,所以對memcpy(此函數(shù)代碼在Linux源代碼的rach\mips\lib目錄下的memcpy.s文件中)這樣使用頻繁的匯編程序應(yīng)手工修改其代碼。再加上編譯器一般不會(huì)生成4條非對齊指令(僅當(dāng)C程序中的結(jié)構(gòu)體有非字對齊等少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)),所以此修改方法可保證大致接近原性能。

  3.2 修改GCC編譯器或GAS匯編器

  盡管利用exception handler來解決保留指令例外問題方便、快捷、但其效率終究是低于直接修改GCC編譯器或GAS匯編器的,此外,修改exception handler的方法在smp的情況下有可能帶來沖突,所以,直接修改GCC或GAS的方法是有其實(shí)用價(jià)值的。

  GCC的前端可以支持多種語音,后端可以支持多種體系結(jié)構(gòu),這一特性是由作為中間語言的RTL(寄存器傳輸語言)實(shí)現(xiàn)的,其大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。

  

 

  其中負(fù)責(zé)指令生成的部分在后端,涉及的源代碼文件包括inst-cmit.c、inst-flags.h、inst-config.h、inst-code.h、inst-extrax.h、inst-opinit.c、inst-output.c等。此外,作為機(jī)器描述的machine.h、machine.md、machine.h文件也必須加以考慮,相當(dāng)一部分以inst開頭的文件是由GCC提供的一組gen*工具根據(jù)這3個(gè)機(jī)器描述文件自動(dòng)生成的。

  修改GAS相對簡單,只須修改GAS源代碼中的tcmips.c文件,但效率相對低于修改GCC源代碼。

  直接修改GCC編譯器的效率且一勞永逸,但由于編譯器的實(shí)現(xiàn)原理和操作系統(tǒng)大相徑庭,所以此方法難度較大,可能會(huì)拖延移植工作進(jìn)度,而編譯器修改其本身的測試工作由于要和Linux操作系統(tǒng)的移植工作混合在一起進(jìn)行,對軟件Debug來說也是相當(dāng)復(fù)雜的,所以,在系統(tǒng)開發(fā)早期推薦使用修改保留指令例外處理程序的方法,當(dāng)軟硬件都能保證相當(dāng)?shù)恼_性時(shí)再使用修改GCC編譯器的方法。

  結(jié)語

  本文根據(jù)一個(gè)特定的開發(fā)平臺,介紹了如何將Linux操作系統(tǒng)移植到MIPS體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的大致流程和主要技術(shù),就移植過程中所遇到的問題,以4條非對齊指令為例,具體討論了如何解決實(shí)際實(shí)現(xiàn)的指令集未能完全覆蓋標(biāo)準(zhǔn)指令集而產(chǎn)生保留指令例外的問題,文中詳細(xì)介紹了修改保留指令例外處理程序的方法,簡述了修改GCC或GAS的方法,掌握這些移植流程和修改技術(shù),對于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值,對于由其他體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的開發(fā)平臺也具有相當(dāng)?shù)膮⒖家饬x。

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