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目前，Linux作為僅次于微軟Windows的操作系統已經(jīng)在PC和嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應用，尤其是在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，由于Linux操作系統具有成本低，可靠性高，源碼方法等顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為受眾多嵌入式開(kāi)發(fā)者青睞的操作系統之一。目前，Linux操作系統所支持的包括X86、ARM、MIPS、MIPS64、Sun SPARC、POWER PC、Motorola 68K、IBM S/390、Alpha、IA64、cris、parisc、sh等主要的體系結構。本文以實(shí)際項目中一個(gè)MIPS32架構的CPU和板級系統為例，闡述了如何將Linux操作系統移植到目標平臺上。 1 目標平臺概述 本文所討論的開(kāi)發(fā)平臺采用的CPU是同濟大學(xué)微電子中心自主開(kāi)發(fā)的BC320處理器，采用MIPS 4KC的體系結構，帶MMU、無(wú)浮點(diǎn)協(xié)處理器、標準5段流水線(xiàn)，指令及數據Cache的大小各為4KB，尋址空間為4GB，其中0x00000000-0x7fffffff為用戶(hù)空間，0x80000000-0xffffffff為核心空間，板級系統采用了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)境的建立及內核配置和編譯 在進(jìn)行實(shí)際的Linux操作系統移植之前，需要在宿主機上建立圖1所示的MIPS的交叉編譯環(huán)境，以便能在普通PC機上通過(guò)交叉編譯工具來(lái)調試運行在目標開(kāi)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(kāi)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行文件，objdump可用來(lái)顯示返匯編代碼等，GCC是GNU提供的支持多種輸入高級語(yǔ)言與多種輸出機器碼的編譯器，是Linux操作系統的配套編譯器，支持Linux所采用的擴展C語(yǔ)言。glibc是連接和運行庫，由于此鏈接和運行庫須運行在目標開(kāi)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，如圖內核大小要求較為苛刻。還可以使用uclibc等其他鏈接和運行庫作為glibc的替代品，此外，若不是從硬盤(pán)啟動(dòng)，則還須為L(cháng)inux制作ramdisk。在ramdisk上，除了要安放/dev（放置Linux操作系統所需要的設備文件）、/etc（放置Linux系統配置文件）、/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下放置各種系統必需的命令程序，如shell、init、vi等，為此需要busybox或者tinylogin等專(zhuān)為L(cháng)inux操作系統提供的標準工具程序。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操作系統的內核源代碼支持各種不同的體系結構和不同的應用需要，所以在使用交叉譯碼器編譯前還需要進(jìn)行內核的配置工作，包括選擇處理器的體系結構、文件系統的種類(lèi)、板級支持，對設備驅動(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。在內核配置工作完成后即可進(jìn)行內核編譯工作，Linux源代碼提供的強大的makefile功能，使得復雜的編譯過(guò)程操作起來(lái)并不困難。 關(guān)于Linux交叉編譯環(huán)境的建立及內核配置和編譯的詳細流程，在《Building Embedded Linux Systems》（Karim Yaghmour著(zhù)）內有詳細的論述，本文為此不再贅述。 3 Linux移植中實(shí)際指令集小于標準MIPS指令集的問(wèn)題 隨著(zhù)軟件可移植問(wèn)題在整個(gè)軟件方法學(xué)中重要性的日益增長(cháng)，各種大型軟件無(wú)不把提高自身的跨平臺性作為軟件設計的主要目標之一。為此，Linux提供了對應用領(lǐng)域內各大主流體系結構的支持，僅以MIPS體系結構為例，Linux操作系統2.4.26版本的內核就支持幾乎所有32位和64位不同版本的MIPS架構，為操作系統的移植工作提供了巨大的便利。然而，處于種種原因（諸如專(zhuān)利保護或特殊應用），有相當一部分采用MIPS體系結構的芯片產(chǎn)品只提供了標準的MIPS指令集的一個(gè)子集。一旦內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(shuō)，當體系結構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)際指令集和標準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(zhuān)利保護，相當多MIPS兼容芯片的開(kāi)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，如Realtek RTL8181"Wireless LAN Access Point/Gateway Controller"等，下文將以同濟大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的BC320芯片為例，從修改內核源代碼、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)現的問(wèn)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，所以將把重點(diǎn)放在討論修改內核源代碼的方法上，對GCC和GAS修改的基本知識僅作一般介紹。 3.1 修改內核源代碼中的保留指令例外處理程序 當CPU執行到未被實(shí)現的機器碼時(shí)，將會(huì )發(fā)生reserved instruction exception，然后根據例外的種類(lèi)跳轉到相應的例外處理程序入口處。借助于編寫(xiě)對應的例外處理程序，可以為被實(shí)際指令集實(shí)現但又屬于標準指令集的指令（Iwl、lwr、swl、swr為例）提供邏輯等效的替換方法。在Linux內核源（以2.4.26版本為例）代碼的目錄樹(shù)下進(jìn)入.\arch\mips\kernal目錄，打開(kāi)traps.c文件，并添加simulate_lxRI函數，代碼如下：
其中：_OP_為宏操作，可取出32位機器碼中的操作碼以判斷操作類(lèi)型；0x22對應于lwl指令、0x26對應于lwr指令，0x2A對應于swl指令，而0x2E則對應于swr指令。程序將根據不同的操作碼進(jìn)入不同的替代程序。va和byte變量則計算出4條非對齊指令的偏移量。 完成代碼后將此函數添加到同一文件的do_ri函數中去，此函數即負責處理Linux操作系統的保留指令例外，添加的代碼為： if（simulate_lxRI（regs，opcode））{ compute_return_epc（regs）； return； } 即當simulate_lxRI正確處理完非對齊存取指令并返回1后，系統將通過(guò)compute_return_epc函數把epc寄存器的值放回pc寄存器并返回；否則，繼續處理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，大多數熟悉C語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)都是易于掌握的。在軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)的系統設計前期具有很大的實(shí)際使用價(jià)值。系統設計師可快速建立原型機跑通操作系統，以驗證軟硬件的正確性。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性能，所以對memcpy（此函數代碼在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C程序中的結構體有非字對齊等少數情況下會(huì )出現），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(lái)解決保留指令例外問(wèn)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(lái)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(yǔ)音，后端可以支持多種體系結構，這一特性是由作為中間語(yǔ)言的RTL（寄存器傳輸語(yǔ)言）實(shí)現的，其大致結構如圖2所示。 其中負責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，作為機器描述的machine.h、machine.md、machine.h文件也必須加以考慮，相當一部分以inst開(kāi)頭的文件是由GCC提供的一組gen*工具根據這3個(gè)機器描述文件自動(dòng)生成的。 修改GAS相對簡(jiǎn)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)現原理和操作系統大相徑庭，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操作系統的移植工作混合在一起進(jìn)行，對軟件Debug來(lái)說(shuō)也是相當復雜的，所以，在系統開(kāi)發(fā)早期推薦使用修改保留指令例外處理程序的方法，當軟硬件都能保證相當的正確性時(shí)再使用修改GCC編譯器的方法。 結語(yǔ) 本文根據一個(gè)特定的開(kāi)發(fā)平臺，介紹了如何將Linux操作系統移植到MIPS體系結構系統上的大致流程和主要技術(shù)，就移植過(guò)程中所遇到的問(wèn)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)現的指令集未能完全覆蓋標準指令集而產(chǎn)生保留指令例外的問(wèn)題，文中詳細介紹了修改保留指令例外處理程序的方法，簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)嵌入式系統相當的實(shí)用價(jià)值，對于由其他體系結構實(shí)現的開(kāi)發(fā)平臺也具有相當的參考意義。 |
