Clinux在MIPS上的移植

     摘 要：本文描述了将Clinux移植到基于MIPS R3K处理器的目标板上的方法和过程，说明了如何搭建移植环境，并着重讨论了移植中需要注意的问题。
    
     关键词：Clinux；MIPS；移植；ROMFS；BootLoader
    
     引言
    
     Clinux是标准Linux的一个分支，它继承了Linux的大部分优点，并能够实现对没有MMU的处理器的支持，所以被广泛地应用于嵌入式领域。本文将其移植到了基于MIPS R3K处理器的目标板上，处理器的工作频率为100MHz。目标板上的其它主要资源还包括：2个串口(16550A)，波特率9600；网卡(RTL8019AS)；512K ROM(AM29F040)，以及64M SDRAM。开发板与主机的连接如图1所示。
    
    
    
     Clinux的移植
    
     交叉编译环境的建立
    
     嵌入式开发环境一般由宿主PC和目标系统构成。宿主PC上先要建立开发编译工具，如binutils、gcc、glibc等。目标板是运行和调试的平台。宿主PC和目标板利用网络和串口建立连接，系统在目标板上运行时通过串口来反馈信息，并在宿主PC的超级终端上显示出来。
    
     BootLoader的设计
    
     BootLoader的作用类似于PC中的BIOS，它在系统启动时对硬件进行初始化操作，负责与宿主PC建立连接并引导操作系统启动。它必须被固化在目标板上，当系统启动时， MIPS处理器的CPU会从0xbfc0 0000中取出第一条指令执行，而虚拟地址0xbfc0 0000对应的物理地址就是ROM的起始地址00000，所以只需要把BootLoader程序烧写在ROM上就可以了。
    
     在BootLoader中，首先要设置CPU的工作状态，包括Little Endian方式、使用CPU的ICache(16KB, 32/line)、DCache(8KB, 16/line)等，并设置异常及中断向量表。针对CPU的BEV位，异常有不同的入口地址。BEV=0主要用于当CPU的Cache、SDRAM初始化后，如果系统发生异常和中断时，其异常、中断入口地址可以通过Cache来访问，这样就加快了响应时间。在Clinux中操作系统的异常和中断处理的入口地址也要遵循这样的方式。
    
     memcpy((void *)(KSEG0 + 0x80), &except_vec1_generic, 0x80);
     memcpy((void *)(KSEG0 + 0x100), &except_vec2_generic, 0x80);
     memcpy((void *)(KSEG0 + 0x180), &except_vec3_generic, 0x80);
    
     其次，因为C代码中的变量(register类型除外)在调用函数时使用的堆栈指针SP等都需要使用可读写的存储介质SDRAM，因此需要对SDRAM进行初始化。在初始化SDRAM之前的代码都必须用汇编语言编写，初始化完成之后，就可以使用C语言来编写目标板上其他设备的相应初始化程序了。
    
     最后，对串口、网络控制芯片进行初始化，然后等待宿主PC上发出命令进行相应的操作。
    
     宿主PC编译好内核代码后，即会通过串口发出命令通知目标板准备接收，目标板在收到命令后就准备接收主机发送的数据，并将接收到的数据放到SDRAM相应的位置上。数据通过网络传输，传输协议使用的是TFTP协议。宿主PC上通过串口发送命令tftp 192.168.1.231 PUT d: \uClinux\linux，其中的192.168.1.231是目标板的IP地址，linux是编译生成的二进制文件。
    
     内核代码的修改
    
     由于不同的目标板上使用的CPU不同，所具有的板上设备也不同，因此，内核代码需要作一定的修改，改动主要集中在对异常、中断号，及其入口地址及设备地址的修改上。
    
     首先，建立针对自己目标板的目录：D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\r3k、D:\uc-linux\linux-2.4.19\include\asm-mipsnommu\r3k，并放入目标板的相应代码。同时要修改Makefile，将这两个目录里的文件编译进内核，去掉不必要的针对其他目标板、处理器目录的编译。
    在D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\r3k目录下，创建两个子文件夹comm和osprey。在r3k\comm目录下，主要存放以下文件：
    
     int_handler.S、irq.c：针对MIP R3K处理器进行中断初始化和检测操作；
     serial.c：针对目标板串口进行波特率设置，中断号及地址分配；
     time.c：针对目标板的RTC进行初始化设置。
    
     在r3k\osprey目录下主要存放以下文件：
    
     prom.c，setup.c：进行目标板的初始化设置，包括串口、时间系统的一些初始化工作。
    
     在D:\uc-linux\linux-2.4.19\include\asm-mipsnommu\r3k目录下主要有两个头文件：
    
     irq.h：包括CPU的一些中断号的宏定义；
     r3k.h：包括目标板上一些设备的中断号的宏定义，例如串口。
    
     其次，要小心地修改操作系统的时钟中断(Timer Interrupt)，否则移植的系统可能会永远停止在BogusMIPS calibration阶段，这是因为操作系统的“脉搏”jiffies的更新是在时钟中断里进行的。时钟中断的产生方式可以根据不同的目标系统而变化。对于MIPS R3K处理器，直接使用它的内部定时器，在CP0的STATUS寄存器中设置中断号，为IP7，需要修改的寄存器包括CP0的COMPARE和COUNT。此外也可以使用RTC来获得时钟中断，其中断号及中断允许位的设置根据目标板而异。涉及到的代码包括：D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\r3k\common\ int_handler.S、D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\r3k\common\ time.c、D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\kernel\time.c。
    
     然后，完成对串口的修改。串口在操作系统的移植在系统调试的过程中扮演了比较重要的角色。在系统运行的初期，它主要用于反馈调试信息。在作为控制台初始化后，它又起着和操作系统交互通信的作用。可是，在对控制台进行初始化以前，打印的调试信息都不能显示出来，这样不便于调试控制台初始化以前的程序。
    
     要解决这个问题有几种方法，例如可以在D:\uc-linux\linux-2.4.19\kernel\printk.c中的printk()函数中添加目标板上串口的打印函数。另外，由于使用的目标板有两个串口，所以可以用串口1与操作系统通信，而串口2作为专用的调试信息输出口。这样的好处还包括可以将调试信息与操作系统的信息分开显示，避免超级终端显示混乱。要注意的是在利用串口显示调试信息时，串口工作在查询方式；而操作系统使用串口作为控制台工作时，串口工作在中断方式。串口工作在中断方式时，需要在CPU的STATUS寄存器和其他中断控制机制中打开相应的中断允许位，否则CPU不能接收到串口发出的中断请求信息。如果不能调试好串口的驱动程序，最后在超级终端上就看不到操作系统给出的信息。相关代码主要在D:\uc-linux\linux-2.4.19\ drivers\char\serial.c中。
    
     最后，由于使用的是ROMFS文件系统，并已将内核代码和文件系统镜像编译到一个二进制文件中，因此，在操作系统运行后，需要告诉操作系统文件系统的地址，否则就会出现不能加载文件系统的错误。文件系统地址可以在D:\uc-linux\linux-2.4.19\arch\mipsnommu\ kernel的setup.c文件里直接指定。
    
     编译内核
    
     在完成对Makefile的少量修改后就可以编译内核了，主要步骤包括：
    
     Make menuconfig：其中包括选择使用的CPU及目标板，串口的使用等；
     Make dep：检查代码的完整性和依存关系；
     Make：包括编译内核，生成ROMFS镜像文件。
    
     下载二进制镜像文件
    
     在宿主PC上发出TFTP命令，在目标板上利用BootLoader接收数据，并将代码和ROMFS文件系统依次放置到相应的地址。BootLoader在完成这些工作后会将控制权交给Clinux系统，然后操作系统开始启动。在完成对目标板设备的初始化、中断的建立以及文件系统的加载后，系统执行/bin/init，最后出现一个等待输入命令的提示符＃。这样，也就完成了对Clinux的移植工作。
    
     结语
    
     本文讨论了Clinux在MIPS R3K处理器上的移植过程和关键技术，并简要介绍了BootLoader的设计，以及串口在移植中的运用。
    
     参考文献
    
    1 毛德操,胡希明. Linux内核源代码情景分析[M]. 杭州:浙江大学出版社, 2001
    2 陈莉君. Linux操作系统内核分析[M]. 北京:人民邮电出版社, 2000
    3 赵炯. Linux内核完全注释. 北京:机械工业出版社, 2004
    4 Gerry Kane, Joe Heinrich. MIPS RISC ARCHITECTURE [M]. Prientice Hall PTR, 2000