基于MIPS32平臺的Linux操作系統(tǒng)移植

引言

目前，linux作為僅次于微軟windows的操作系統(tǒng)已經(jīng)在pc和嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，由于linux操作系統(tǒng)具有成本低，可靠性高，源碼方法等顯著的優(yōu)點，已經(jīng)成為受眾多嵌入式開發(fā)者青睞的操作系統(tǒng)之一。目前，linux操作系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。本文以實際項目中一個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)移植到目標平臺上。

1 目標平臺概述

本文所討論的開發(fā)平臺采用的cpu是同濟大學(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、無浮點協(xié)處理器、標準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

在進行實際的linux操作系統(tǒng)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機上通過交叉編譯工具來調(diào)試運行在目標開發(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所采用的擴展c語言。glibc是連接和運行庫，由于此鏈接和運行庫須運行在目標開發(fā)板上，所以必須用先前建立的交叉編譯器對其進行編譯，如圖內(nèi)核大小要求較為苛刻。還可以使用uclibc等其他鏈接和運行庫作為glibc的替代品，此外，若不是從硬盤啟動，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(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行內(nèi)核編譯工作，linux源代碼提供的強大的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流程，在《building embedded linux systems》（karim yaghmour著）內(nèi)有詳細的論述，本文為此不再贅述。

3 linux移植中實際指令集小于標準mips指令集的問題

隨著軟件可移植問題在整個軟件方法學(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)計的主要目標之一。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)品只提供了標準的mips指令集的一個子集。一旦內(nèi)核代碼在編譯完成后生成了不屬于實際指令集的指令，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，如何邏輯等效地消除實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的專利保護，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）加以實現(xiàn)，如realtek rtl8181"wireless lan access point/gateway controller"等，下文將以同濟大學(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方面出發(fā)，討論如何解決4條非對齊存取指令未被實現(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)行到未被實現(xiàn)的機器碼時，將會發(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，可以為被實際指令集實現(xiàn)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(nèi)核源（以2.4.26版本為例）代碼的目錄樹下進入.archmipskernal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(shù)添加到同一文件的do_ri函數(shù)中去，此函數(shù)即負責(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)計前期具有很大的實際使用價值。系統(tǒng)設(shè)計師可快速建立原型機跑通操作系統(tǒng)，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(tǒng)性能，所以對memcpy（此函數(shù)代碼在linux源代碼的rachmipslib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的方法是有其實用價值的。

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）實現(xiàn)的，其大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中負責(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個機器描述文件自動生成的。

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，可能會拖延移植工作進度，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_性時再使用修改gcc編譯器的方法。

結(jié)語

本文根據(jù)一個特定的開發(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際實現(xiàn)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題，文中詳細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)膶嵱脙r值，對于由其他體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的開發(fā)平臺也具有相當(dāng)?shù)膮⒖家饬x。