將操作系統移植到新的晶元架構的經驗

曾經有人問我，為什麼計算機被稱為「計算機」，它們做的事情可遠不止計算數字。一台現代的個人電腦可以瀏覽互聯網、播放音頻和視頻、為視頻遊戲和電影生成漂亮的圖形、模擬和預測複雜的天氣模式和流行病風險、將建築和工程藍圖變為現實等等。

計算機之所以能做到這些，是因為所有這些問題都可以歸結為數字方程，而計算機的 CPU —— 其中央處理單元 —— 實際上不過是一個簡單的計算器。

為了讓 CPU 向硬碟驅動器發送信號以寫入數據，或向顯示器發送信號以顯示圖像，它必須接收指令。這些指令是以 「代碼」 的形式出現的，這是一種簡明的說法，即必須有人寫一個 程序 ，與CPU 「說」 同樣的語言。CPU 理解的是 機器語言，這是一個大多數人都無法理解的比特陣列，大多數人都不可能手動寫出來。相反，我們使用像 C、C++、Java、Python 等編程語言。這些語言被解析並編譯成機器語言，然後交付給 CPU。

如果你試圖用一種它不理解的語言來指示 CPU，它不知道該怎麼做。你可以通過嘗試用 x86_64 RHEL 鏡像啟動 樹莓派 來體驗這種誤傳嘗試的尷尬結果。如果它能工作就好了，但是不能。

將一個操作系統移植到一個新的架構上

RT-Thread 項目 為嵌入式系統程序員提供了一個開源的操作系統（OS）。嵌入式領域是非常多樣化的，有很多物聯網（IoT）、定製工業和業餘設備。RT-Thread 的目標是使嵌入式編程對每個人來說都很容易，無論你使用什麼設備。有時，這意味著要將一個操作系統移植到一個新的架構上，不管是用於相同架構但指令集略有不同的的晶元，還是用於全新的架構。

一開始處理這個問題可能會有點嚇人 —— 你可能不知道從哪裡開始或如何開始。這篇文章收集了 RT-Thread 維護者在將 RTOS 移植到新的晶元架構時學到的經驗。

你在開始之前需要知道什麼

這裡是一個看似難以逾越的過程的高屋建瓴的觀點。這對你的項目來說可能有所不同，但從概念上來說，這是相對普遍的，即使一些具體的細節是不同的：

1. 準備好一個 C 語言的執行環境
2. 確認可以通過串列埠發送和接收字元
3. 確認上下文切換代碼可以工作
4. 獲取支持的硬體定時器
5. 確認中斷程序可以通過串口接收和解析數據

執行模式

對於大多數先進的體系結構，操作系統和用戶應用程序運行在不同的許可權級別上。這可以防止有功能故障的代碼影響操作系統的集成和安全。例如，在 ARMv7-A 架構中，操作系統通常在系統模式下運行，而在 ARMv8-A 中，操作系統可以在 EL2 或 EL3 許可權級別上運行。

通常情況下，晶元在通電時以最高許可權級別執行啟動代碼。但在此之後，操作系統會將特權級別切換到其目標模式。

1、執行 C 代碼

這一步的關鍵動作是將 塊起始符號 block starting symbol （.bss）部分設置為零，並設置堆棧指針。

在 C 語言的實現中，未初始化的全局變數和靜態變數通常存儲在 .bss 部分，它不佔用存儲設備的任何空間。當程序被載入時，相應的空間被分配到內存中，並被初始化為零。當操作系統啟動時，它必須自己做這項工作。

另一方面，操作系統必須初始化堆棧空間並設置堆棧指針。由於 C 語言程序在進入和退出函數時在堆棧上保存和恢復局部變數，所以在調用任何 C 函數之前必須設置堆棧指針。RT-Thread 必須為每個新創建的線程做這個步驟。

2、至少使用一個串列驅動器

RT-Thread 通過串口輸出信息和日誌，這也有助於在移植過程中對代碼進行調試。在這個階段，通過串口 接收 數據是不必要的。當我們第一次在串口上看到我們友好的、熟悉的 RT-Thread 的標誌時，我們就知道我們走對了路！

3、確認上下文切換邏輯

一個任務的上下文是它的整個執行環境，它包含通用寄存器、程序計數器、堆棧幀的位置等等。當一個新的線程被創建時，RT-Thread 必須手動分配和設置它的上下文，這樣調度器就可以切換到新的線程，就像它對其他線程一樣。

有三件事需要注意：

• 首先，當 RT-Thread 啟動時，默認情況下中斷是禁用的。當任務調度器第一次被啟用時，它們就會被啟用；這個過程是在上下文切換期間用彙編語言實現的。
• 第二，當一個線程退出時，下一個調度將開始，這時擁有的資源會被空閑的線程回收。
• 第三，數據被推入堆棧的順序必須與從堆棧中彈出數據的順序一致。

一般來說，你希望正常進入主函數和 msh 控制台。然而，在這個階段無法實現輸入控制，因為串列輸入中斷還沒有實現。當串列中斷實現後，就可以進行 msh 輸入了。

4、設置定時器

RT-Thread 需要一個定時器來定期產生中斷；它被用來計算自系統啟動以來所經過的「滴答」。計數器的編號用於提供軟體中斷功能，並指示內核何時開始調度一個任務。

設置時間片的值可能是一件棘手的事情。它通常是 10ms 到 1ms。如果你在一個慢速的 CPU 上選擇一個小的時間片，大部分時間就會花在任務切換上 —— 不利於完成其他事情。

5、確認串口工作正常

在這一步，我們通過串口與 RT-Thread msh 進行交互。我們發送命令，按回車鍵，然後看著 msh 執行命令並顯示結果。

這個過程通常不難實現。不過，有一點要提醒大家。在某些平台上，在處理完串口中斷後，別忘了清除中斷標誌。

一旦串口工作正常，移植過程基本上就完成了。

實踐

為了將你的項目移植到不同的晶元架構上，你需要非常清楚地了解你所針對的晶元的架構。熟悉你的項目中最關鍵的部分的底層代碼。通過對照晶元的手冊結合大量的實際工作經驗，你會了解晶元的特權模式、寄存器和編譯方法。

如果你沒有需要移植到新晶元的項目，請加入我們；RT-Thread 項目總是需要幫助將 RTOS 移植到新的晶元上！作為一個開源項目，RT-Thread 正在改變開源嵌入式編程的面貌。請在 RT-Thread 俱樂部介紹你自己並尋求幫助!

本文基於 DEV 社區上的 如何將操作系統移植到不同的晶元架構上？，並經許可轉載。

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

作者：Alan Smithee 選題：lujun9972 譯者：wxy 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive