基于MIPS32平臺(tái)的Linux操作系統(tǒng)移植

摘要 論述基于MIPS32體系結(jié)構(gòu)的Liunx操作系統(tǒng)的移植技術(shù)；結(jié)合具體實(shí)例，給出在特定硬件平臺(tái)(同濟(jì)大學(xué)微電子中心自主開發(fā)的BC320芯片及板級(jí)系統(tǒng))上移植Linux的實(shí)現(xiàn)過程；介紹建立交叉開發(fā)環(huán)境的方法，討論當(dāng)實(shí)際指令集為標(biāo)準(zhǔn)MIPS32指令集子集時(shí)(以4條非對(duì)齊存取指令為例)，如何邏輯等效地完成操作系統(tǒng)移植的問題。
關(guān)鍵詞 Linux操作系統(tǒng)MIPS2非對(duì)齊存取指令GCC保留指令例外

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，源碼開放等顯著的優(yōu)點(diǎn)，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、A1pha、IA64、cris、parisc、sh等主要的體系結(jié)構(gòu)。本文以實(shí)際項(xiàng)目中一個(gè)MIPS32構(gòu)架的CPU和板級(jí)系統(tǒng)為例，闡述如何將Linux操作系統(tǒng)移植到目標(biāo)平臺(tái)上。

1 目標(biāo)平臺(tái)概述
    本文所討論的開發(fā)平臺(tái)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4 KB。尋址空間為4GB，其中0x00000000～0X7fffffff為用戶空間，0x80000000～0xffffffff為核心空間。板級(jí)系統(tǒng)采用了PMC的PM8172芯片組，支持最高128 MB的SDRAM。BOOT ROM的地址空問是0xlfc00000～0xlfffffff。

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(hào)表；strip將不必要的代碼去掉以減小可執(zhí)行文件；objdump可用來顯示反匯編代碼等。GCC是GNU提供的支持多種輸入高級(jí)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是鏈接和運(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(duì)其進(jìn)行編譯。如對(duì)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g1ibc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下放置備種系統(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，所以在使用交叉編譯器編譯前還需要進(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(jí)支持、對(duì)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、makemenuconfig、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》(KarimYaghmour著)內(nèi)有詳細(xì)的論述，本文對(duì)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
    隨著軟件可移植性問題在整個(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(tái)性作為軟件設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一，為此．Linux提供了對(duì)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，出于種種原因(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)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?？梢哉f，當(dāng)體系結(jié)構(gòu)問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)指令集問的差異成了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)者并末對(duì)指令集中的4條非對(duì)齊存取指令(1wl、1wr、swl、swr)加以實(shí)現(xiàn)，如Rcaltek 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(duì)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(shí)，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(duì)GCC和GAS修改的基本知識(shí)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(duì)應(yīng)的例外處理程序，可以為未被實(shí)際指令集實(shí)現(xiàn)但又屬于標(biāo)準(zhǔn)指令集的指令(以1wl、1wr、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；Ox22對(duì)應(yīng)于1wl指令、0x26對(duì)應(yīng)于1wr指令，0x2A對(duì)應(yīng)于swl指令，而0x2E則對(duì)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(duì)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：

   
即當(dāng)simulate——lxRI正確處理完非對(duì)齊存取指令并返回1后，系統(tǒng)將通過compute_returrn_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，對(duì)大多數(shù)熟悉C語肓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(duì)memcpy(此函數(shù)代碼在Linux源代碼的arch＼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(duì)齊指令(僅當(dāng)C程序中的結(jié)構(gòu)體有非字對(duì)齊等少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn))，所以此修改方法可保證能大致接近原性能。
3.2 修改GCC編譯器或GAS匯編器
    盡管利用cxception handlcr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言，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-emit．c、ilast-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、maclline．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gcn*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(duì)簡單，只須修改GAS源代碼中的tc-mips．c文件，但效率相對(duì)低于修改GCC源代碼。
    直接修改GCC編譯器的效率高且一勞永逸，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；而編譯器修改后其本身的測(cè)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(duì)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(tái)，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實(shí)際問題，以4條非對(duì)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(duì)于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值，對(duì)于由其他體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的開發(fā)平臺(tái)也具有相當(dāng)?shù)膮⒖家饬x。