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将操作系统移植到新的芯片架构的经验

作者: Alan Smithee 译者: LCTT Xingyu.Wang

| 2021-05-28 22:19   评论: 1    

在将嵌入式系统操作系统移植到不同的芯片架构时,RT-Thread 的维护者们从中学到了什么。

曾经有人问我,为什么计算机被称为“计算机”,它们做的事情可远不止计算数字。一台现代的个人电脑可以浏览互联网、播放音频和视频、为视频游戏和电影生成漂亮的图形、模拟和预测复杂的天气模式和流行病风险、将建筑和工程蓝图变为现实等等。

计算机之所以能做到这些,是因为所有这些问题都可以归结为数字方程,而计算机的 CPU —— 其中央处理单元 —— 实际上不过是一个简单的计算器。

为了让 CPU 向硬盘驱动器发送信号以写入数据,或向显示器发送信号以显示图像,它必须接收指令。这些指令是以 “代码” 的形式出现的,这是一种简明的说法,即必须有人写一个 程序 ,与CPU “说” 同样的语言。CPU 理解的是 机器语言,这是一个大多数人都无法理解的比特阵列,大多数人都不可能手动写出来。相反,我们使用像 C、C++、Java、Python 等编程语言。这些语言被解析并编译成机器语言,然后交付给 CPU。

如果你试图用一种它不理解的语言来指示 CPU,它不知道该怎么做。你可以通过尝试用 x86_64 RHEL 镜像启动 树莓派 来体验这种误传尝试的尴尬结果。如果它能工作就好了,但是不能。

将一个操作系统移植到一个新的架构上

RT-Thread 项目 为嵌入式系统程序员提供了一个开源的操作系统(OS)。嵌入式领域是非常多样化的,有很多物联网(IoT)、定制工业和业余设备。RT-Thread 的目标是使嵌入式编程对每个人来说都很容易,无论你使用什么设备。有时,这意味着要将一个操作系统移植到一个新的架构上,不管是用于相同架构但指令集略有不同的的芯片,还是用于全新的架构。

一开始处理这个问题可能会有点吓人 —— 你可能不知道从哪里开始或如何开始。这篇文章收集了 RT-Thread 维护者在将 RTOS 移植到新的芯片架构时学到的经验。

你在开始之前需要知道什么

这里是一个看似难以逾越的过程的高屋建瓴的观点。这对你的项目来说可能有所不同,但从概念上来说,这是相对普遍的,即使一些具体的细节是不同的:

  1. 准备好一个 C 语言的执行环境
  2. 确认可以通过串行端口发送和接收字符
  3. 确认上下文切换代码可以工作
  4. 获取支持的硬件定时器
  5. 确认中断程序可以通过串口接收和解析数据

执行模式

对于大多数先进的体系结构,操作系统和用户应用程序运行在不同的权限级别上。这可以防止有功能故障的代码影响操作系统的集成和安全。例如,在 ARMv7-A 架构中,操作系统通常在系统模式下运行,而在 ARMv8-A 中,操作系统可以在 EL2 或 EL3 权限级别上运行。

通常情况下,芯片在通电时以最高权限级别执行启动代码。但在此之后,操作系统会将特权级别切换到其目标模式。

1、执行 C 代码

这一步的关键动作是将 块起始符号block starting symbol(.bss)部分设置为零,并设置堆栈指针。

在 C 语言的实现中,未初始化的全局变量和静态变量通常存储在 .bss 部分,它不占用存储设备的任何空间。当程序被加载时,相应的空间被分配到内存中,并被初始化为零。当操作系统启动时,它必须自己做这项工作。

另一方面,操作系统必须初始化堆栈空间并设置堆栈指针。由于 C 语言程序在进入和退出函数时在堆栈上保存和恢复局部变量,所以在调用任何 C 函数之前必须设置堆栈指针。RT-Thread 必须为每个新创建的线程做这个步骤。

2、至少使用一个串行驱动器

RT-Thread 通过串口输出信息和日志,这也有助于在移植过程中对代码进行调试。在这个阶段,通过串口 接收 数据是不必要的。当我们第一次在串口上看到我们友好的、熟悉的 RT-Thread 的标志时,我们就知道我们走对了路!

3、确认上下文切换逻辑

一个任务的上下文是它的整个执行环境,它包含通用寄存器、程序计数器、堆栈帧的位置等等。当一个新的线程被创建时,RT-Thread 必须手动分配和设置它的上下文,这样调度器就可以切换到新的线程,就像它对其他线程一样。

有三件事需要注意:

  • 首先,当 RT-Thread 启动时,默认情况下中断是禁用的。当任务调度器第一次被启用时,它们就会被启用;这个过程是在上下文切换期间用汇编语言实现的。
  • 第二,当一个线程退出时,下一个调度将开始,这时拥有的资源会被空闲的线程回收。
  • 第三,数据被推入堆栈的顺序必须与从堆栈中弹出数据的顺序一致。

一般来说,你希望正常进入主函数和 msh 控制台。然而,在这个阶段无法实现输入控制,因为串行输入中断还没有实现。当串行中断实现后,就可以进行 msh 输入了。

4、设置定时器

RT-Thread 需要一个定时器来定期产生中断;它被用来计算自系统启动以来所经过的“滴答”。计数器的编号用于提供软件中断功能,并指示内核何时开始调度一个任务。

设置时间片的值可能是一件棘手的事情。它通常是 10ms 到 1ms。如果你在一个慢速的 CPU 上选择一个小的时间片,大部分时间就会花在任务切换上 —— 不利于完成其他事情。

5、确认串口工作正常

在这一步,我们通过串口与 RT-Thread msh 进行交互。我们发送命令,按回车键,然后看着 msh 执行命令并显示结果。

这个过程通常不难实现。不过,有一点要提醒大家。在某些平台上,在处理完串口中断后,别忘了清除中断标志。

一旦串口工作正常,移植过程基本上就完成了。

实践

为了将你的项目移植到不同的芯片架构上,你需要非常清楚地了解你所针对的芯片的架构。熟悉你的项目中最关键的部分的底层代码。通过对照芯片的手册结合大量的实际工作经验,你会了解芯片的特权模式、寄存器和编译方法。

如果你没有需要移植到新芯片的项目,请加入我们;RT-Thread 项目总是需要帮助将 RTOS 移植到新的芯片上!作为一个开源项目,RT-Thread 正在改变开源嵌入式编程的面貌。请在 RT-Thread 俱乐部介绍你自己并寻求帮助!


本文基于 DEV 社区上的 如何将操作系统移植到不同的芯片架构上?,并经许可转载。


via: https://opensource.com/article/21/5/port-chip-architectures

作者:Alan Smithee 选题:lujun9972 译者:wxy 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出



最新评论

来自山东菏泽的 Chrome 91.0|Windows 10 用户 2021-05-30 08:54 21 回复
2至少使用一个串行驱动器,里面说“通过串口 接收 数据是不必要的”
LCTT 译者
Xingyu.Wang 💎💎💎
共计翻译: 728.0 篇 | 共计贡献: 2649
贡献时间:2014-07-25 -> 2021-10-25
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