RT-Thread針對(duì)不同架構(gòu)芯片移植的方法
在做rt-thread系統(tǒng)移植的這段時(shí)間里，積累一些快速移植的經(jīng)驗(yàn)，不論是現(xiàn)有架構(gòu)的不同型號(hào)的芯片，還是一個(gè)全新架構(gòu)的移植，只需要按照一定的步驟進(jìn)行，一般大的方向不會(huì)出錯(cuò)。剩下的事情就是解決為什么沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果的問(wèn)題。
移植的里程碑有如下的幾個(gè)：1.芯片工作在正常的模式，可以正常的執(zhí)行c代碼邏輯2.至少有一個(gè)串口驅(qū)動(dòng)3.上下文切換邏輯4.定時(shí)器可以正常的使用5.串口輸入有正常的中斷產(chǎn)生并能夠讀到數(shù)據(jù)針對(duì)以上的順序詳細(xì)描述問(wèn)題以及解決辦法。
芯片的工作模式
不同架構(gòu)的芯片一定會(huì)有對(duì)應(yīng)的模式適合操作系統(tǒng)的運(yùn)行，這是芯片設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到的問(wèn)題，所以移植也要遵循這種規(guī)則。另外也涉及到寄存器的訪問(wèn)權(quán)限問(wèn)題。比如armv7，其操作系統(tǒng)存在的模式為system模式，可以方便的切換到其他模式。還有比較典型的armv8架構(gòu)的el1特權(quán)級(jí)別。當(dāng)然把芯片模式切換到其他的模式，也可以，比如rt-thread整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在el3特權(quán)模式，在el3特權(quán)級(jí)別最高，但是并不是越高越好，往往el3會(huì)有更加合適的用法。其切換到邏輯一般在芯片啟動(dòng)后，執(zhí)行的最初一段的匯編代碼邏輯里面，一般芯片在上電后，都會(huì)進(jìn)入最高特權(quán)權(quán)限的模式里，切換到操作系統(tǒng)特定的特權(quán)級(jí)別模式即可。
可以正常執(zhí)行c代碼
完成這一步也是匯編的代碼的實(shí)現(xiàn)，這一步的通用關(guān)鍵操作是bss段清零，以及設(shè)置棧指針地址。 對(duì)于bss段清零的必要性是因?yàn)?a href="http://www.delux-kingway.cn/soft/data/21-24/" target="_blank">c語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則，以前的存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器是很貴的，所以程序在生成的時(shí)候，把未初始化的全局變量和靜態(tài)變量，這些存儲(chǔ)空間不存入存儲(chǔ)器空間，然后在程序加載的時(shí)候，將這段空間指向的區(qū)域清零。而函數(shù)中的非靜態(tài)的變量則存儲(chǔ)在棧中，地址不確定。 如果不進(jìn)行bss的清零，可能導(dǎo)致的問(wèn)題是全局變量和靜態(tài)變量的值不確定，導(dǎo)致程序編程時(shí)遇到異常的現(xiàn)象。 清空bss段的步驟也很簡(jiǎn)單，就是將bss這一段內(nèi)存空間設(shè)置為0即可。而設(shè)置棧地址也就是sp的地址，僅僅是為了在操作系統(tǒng)線程還未啟動(dòng)調(diào)度時(shí)，最開(kāi)始的棧空間。根據(jù)c語(yǔ)言的函數(shù)調(diào)用規(guī)則，c語(yǔ)言進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時(shí)，都需要壓棧和出棧，這段棧空間是用戶(hù)自行分配的。 所以需要注意點(diǎn)是rt-thread啟動(dòng)調(diào)度前也是有一個(gè)棧空間的，調(diào)度啟動(dòng)后該?？臻g不被使用，每個(gè)線程?？臻g才生效。
至少有一個(gè)串口驅(qū)動(dòng)
要完成這個(gè)工作，需要注意的問(wèn)題是事先已經(jīng)完成了串口驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證工作。也就是可以正常的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。完成rt-thread串口驅(qū)動(dòng)對(duì)接，只需實(shí)現(xiàn)串口初始化，串口接收，串口發(fā)送，中斷注冊(cè)即可。 由于前期沒(méi)有中斷，實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送功能就可以接著進(jìn)行下面工作了。正常情況下，可以看到串口可以輸出rt-thread的logo了。
上下文切換邏輯
?對(duì)于程序的上下文，可以理解為程序當(dāng)前運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)。其現(xiàn)場(chǎng)里面主要包含的內(nèi)容有，當(dāng)前所有的寄存器狀態(tài)，當(dāng)前sp的值，有些處理器還有pc值等等。 對(duì)于第一個(gè)調(diào)度起來(lái)的線程，其上下文的內(nèi)容是人工手動(dòng)賦值的。因?yàn)椴⒉荒鼙ＷC調(diào)度器執(zhí)行的第一個(gè)線程是哪個(gè)具體的線程，所以每個(gè)線程都會(huì)存儲(chǔ)一個(gè)人工填充的上下文。 需要注意的地方主要有三點(diǎn)，第一個(gè)線程調(diào)度啟動(dòng)后，會(huì)打開(kāi)全局中斷，具體是在上下文恢復(fù)時(shí)，由匯編代碼實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)是線程退出后，會(huì)啟動(dòng)下一次調(diào)度，線程回收工作由空閑線程完成。第三點(diǎn)一定要確保壓棧的順序和出棧的順序一致性。 該功能實(shí)現(xiàn)正常的標(biāo)志是可以正常進(jìn)入main函數(shù)以及msh控制臺(tái)。但不能輸入控制，因?yàn)闆](méi)有實(shí)現(xiàn)串口輸入中斷，如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)串口中斷，那可以msh輸入。
定時(shí)器可以正常使用
定時(shí)器可以正常使用的前提中斷可以正常的產(chǎn)生，然后周期性的產(chǎn)生定時(shí)器中斷。 定時(shí)器是系統(tǒng)tick的關(guān)鍵，沒(méi)有定時(shí)器，系統(tǒng)將無(wú)法在任務(wù)中通過(guò)delay釋放CPU資源，但是可以通過(guò)主動(dòng)切換任務(wù)的方式進(jìn)行調(diào)度。關(guān)于rt-thread的tick的時(shí)間片多少合適的問(wèn)題，這里解釋為，一般合適的10ms，對(duì)于主頻很高的芯片可以是1ms。曾經(jīng)在30mhz的主頻的FPGA上驗(yàn)證系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并不能正常運(yùn)行起來(lái)。分析因?yàn)橄到y(tǒng)定時(shí)器中斷產(chǎn)生的太頻繁，主頻太低，程序來(lái)不及處理完成又發(fā)生了中斷。
串口可正常輸入
該步驟可作為移植的成功的驗(yàn)證工作，這一步的工作并非技術(shù)難點(diǎn)，但是往往前面步驟沒(méi)有成功，可能會(huì)導(dǎo)致這里出現(xiàn)不了想要的現(xiàn)象。 比如曾經(jīng)協(xié)助一個(gè)客戶(hù)完成移植工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)串口中斷打開(kāi)后，只能輸入一個(gè)字符串后無(wú)反應(yīng)，后來(lái)才查到中斷處理標(biāo)志沒(méi)有清空。一般可以正常的輸入輸出，該系統(tǒng)移植就基本成功了。
移植的工作難點(diǎn)
?對(duì)于上面的步驟中，最難的就是棧幀的規(guī)劃，上下文切換和中斷處理。結(jié)合實(shí)際移植經(jīng)驗(yàn)，往往容易出問(wèn)題的地方就是入棧和出棧的順序?qū)Σ簧?，或者有些寄存器沒(méi)有存到棧中。在這個(gè)工作的時(shí)候，要檢查一下寄存器是32位還是64位，可能因?yàn)檫@個(gè)小細(xì)節(jié)，導(dǎo)致棧幀的偏移。 另外要注意的是，線程壓棧的時(shí)候，一定要壓線程退出后的回收函數(shù)，曾經(jīng)也因?yàn)闆](méi)有注意這個(gè)細(xì)節(jié)導(dǎo)致main函數(shù)退出后，系統(tǒng)運(yùn)行異常。 中斷里面復(fù)雜設(shè)計(jì)在于中斷的嵌套，往往在中斷里執(zhí)行調(diào)度，并不會(huì)立馬執(zhí)行到切換線程的上下文，這樣就破壞了現(xiàn)場(chǎng)，而是待到所有中斷執(zhí)行完成后，再切換上下文。這一點(diǎn)在cortex-m上很好理解，中斷控制器在處理pendsv異常時(shí)，總是等待其他高優(yōu)先級(jí)中斷處理完成后，再去處理優(yōu)先級(jí)最低的pendsv。而對(duì)于sparc這種設(shè)計(jì)，切換任務(wù)是通過(guò)trap異常實(shí)現(xiàn)的，trap異常高于中斷，也就是切換線程優(yōu)先級(jí)高于中斷，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)里面不合理的，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，往往通過(guò)設(shè)置中斷嵌套標(biāo)志位，等到所有中斷執(zhí)行完成后，再切換上下文，一定不能夠在中斷執(zhí)行時(shí)，把上下文切換走。
移植經(jīng)驗(yàn)分享
rt-thread的移植是有一些關(guān)鍵點(diǎn)的，找到這些關(guān)鍵點(diǎn)，可以非常順利的規(guī)劃清楚方向和目標(biāo)，對(duì)于每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻克，這樣是最快也是最高效的做事方式。 要想移植不同芯片架構(gòu)，需要非常清楚這個(gè)芯片的架構(gòu)，也需要非常熟悉rt-thread系統(tǒng)最關(guān)鍵點(diǎn)底層代碼。一般熟悉rt-thread的底層代碼并不是很難，從頭讀一遍aarch64的rt-thread最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩三天就能差不多理解，而芯片手冊(cè)的閱讀要結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，弄清楚芯片特權(quán)模式、看懂寄存器，看懂匯編基本就可以了。當(dāng)然有些處理器是需要實(shí)現(xiàn)mmu才能正常執(zhí)行的，比如aarch64，必須實(shí)現(xiàn)mmu的功能，即使是1：1映射。
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