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rt-thread 针对不同架构芯片移植的方法

在做rt-thread系统移植的这段时间里,积累一些快速移植的经验,不论是现有架构的不同型号的芯片,还是一个全新架构的移植,只需要按照一定的步骤进行,一般大的方向不会出错。剩下的事情就是解决为什么没有达到预期效果的问题。

移植的里程碑有如下的几个:

1.芯片工作在正常的模式,可以正常的执行c代码逻辑

2.至少有一个串口驱动

3.上下文切换逻辑

4.定时器可以正常的使用

5.串口输入有正常的中断产生并能够读到数据

针对以上的顺序详细描述问题以及解决办法。

芯片的工作模式

​​不同架构的芯片一定会有对应的模式适合操作系统的运行,这是芯片设计时就考虑到的问题,所以移植也要遵循这种规则。另外也涉及到寄存器的访问权限问题。

比如armv7,其操作系统存在的模式为system模式,可以方便的切换到其他模式。还有比较典型的armv8架构的el1特权级别。当然把芯片模式切换到其他的模式,也可以,比如rt-thread整个系统运行在el3特权模式,在el3特权级别最高,但是并不是越高越好,往往el3会有更加合适的用法。其切换到逻辑一般在芯片启动后,执行的最初一段的汇编代码逻辑里面,一般芯片在上电后,都会进入最高特权权限的模式里,切换到操作系统特定的特权级别模式即可。

可以正常执行c代码

完成这一步也是汇编的代码的实现,这一步的通用关键操作是bss段清零,以及设置栈指针地址。

对于bss段清零的必要性是因为c语言的语法规则,以前的存储程序的存储器是很贵的,所以程序在生成的时候,把未初始化的全局变量和静态变量,这些存储空间不存入存储器空间,然后在程序加载的时候,将这段空间指向的区域清零。而函数中的非静态的变量则存储在栈中,地址不确定。

如果不进行bss的清零,可能导致的问题是全局变量和静态变量的值不确定,导致程序编程时遇到异常的现象。

清空bss段的步骤也很简单,就是将bss这一段内存空间设置为0即可。

而设置栈地址也就是sp的地址,仅仅是为了在操作系统线程还未启动调度时,最开始的栈空间。根据c语言的函数调用规则,c语言进行函数调用时,都需要压栈和出栈,这段栈空间是用户自行分配的。

所以需要注意点是rt-thread启动调度前也是有一个栈空间的,调度启动后该栈空间不被使用,每个线程栈空间才生效。

至少有一个串口驱动

要完成这个工作,需要注意的问题是事先已经完成了串口驱动的验证工作。也就是可以正常的接收和发送数据。完成rt-thread串口驱动对接,只需实现串口初始化,串口接收,串口发送,中断注册即可。

由于前期没有中断,实现串口发送功能就可以接着进行下面工作了。

正常情况下,可以看到串口可以输出rt-thread的logo了。

​上下文切换逻辑

对于程序的上下文,可以理解为程序当前运行的现场。其现场里面主要包含的内容有,当前所有的寄存器状态,当前sp的值,有些处理器还有pc值等等。

对于第一个调度起来的线程,其上下文的内容是人工手动赋值的。因为并不能保证调度器执行的第一个线程是哪个具体的线程,所以每个线程都会存储一个人工填充的上下文。

需要注意的地方主要有三点,第一个线程调度启动后,会打开全局中断,具体是在上下文恢复时,由汇编代码实现。第二个是线程退出后,会启动下一次调度,线程回收工作由空闲线程完成。第三点一定要确保压栈的顺序和出栈的顺序一致性。

该功能实现正常的标志是可以正常进入main函数以及msh控制台。但不能输入控制,因为没有实现串口输入中断,如果已经实现串口中断,那可以msh输入。

​定时器可以正常使用

定时器可以正常使用的前提中断可以正常的产生,然后周期性的产生定时器中断。

定时器是系统tick的关键,没有定时器,系统将无法在任务中通过delay释放CPU资源,但是可以通过主动切换任务的方式进行调度。

关于rt-thread的tick的时间片多少合适的问题,这里解释为,一般合适的10ms,对于主频很高的芯片可以是1ms。曾经在30mhz的主频的FPGA上验证系统,发现并不能正常运行起来。分析因为系统定时器中断产生的太频繁,主频太低,程序来不及处理完成又发生了中断。

​串口可正常输入

该步骤可作为移植的成功的验证工作,这一步的工作并非技术难点,但是往往前面步骤没有成功,可能会导致这里出现不了想要的现象。

比如曾经协助一个客户完成移植工作时,发现串口中断打开后,只能输入一个字符串后无反应,后来才查到中断处理标志没有清空。

一般可以正常的输入输出,该系统移植就基本成功了。

​移植的工作难点

对于上面的步骤中,最难的就是栈帧的规划,上下文切换和中断处理。

结合实际移植经验,往往容易出问题的地方就是入栈和出栈的顺序对不上,或者有些寄存器没有存到栈中。在这个工作的时候,要检查一下寄存器是32位还是64位,可能因为这个小细节,导致栈帧的偏移。

另外要注意的是,线程压栈的时候,一定要压线程退出后的回收函数,曾经也因为没有注意这个细节导致main函数退出后,系统运行异常。

中断里面复杂设计在于中断的嵌套,往往在中断里执行调度,并不会立马执行到切换线程的上下文,这样就破坏了现场,而是待到所有中断执行完成后,再切换上下文。这一点在cortex-m上很好理解,中断控制器在处理pendsv异常时,总是等待其他高优先级中断处理完成后,再去处理优先级最低的pendsv。而对于sparc这种设计,切换任务是通过trap异常实现的,trap异常高于中断,也就是切换线程优先级高于中断,这是系统设计里面不合理的,在软件设计时,往往通过设置中断嵌套标志位,等到所有中断执行完成后,再切换上下文,一定不能够在中断执行时,把上下文切换走。

​移植经验分享

rt-thread的移植是有一些关键点的,找到这些关键点,可以非常顺利的规划清楚方向和目标,对于每个关键点进行技术攻克,这样是最快也是最高效的做事方式。

要想移植不同芯片架构,需要非常清楚这个芯片的架构,也需要非常熟悉rt-thread系统最关键点底层代码。一般熟悉rt-thread的底层代码并不是很难,从头读一遍aarch64的rt-thread最小系统实现两三天就能差不多理解,而芯片手册的阅读要结合实际的工作经验,弄清楚芯片特权模式、看懂寄存器,看懂汇编基本就可以了。当然有些处理器是需要实现mmu才能正常执行的,比如aarch64,必须实现mmu的功能,即使是1:1映射。

本文分享自微信公众号 - 嵌入式IoT(Embeded_IoT),作者:bigmagic

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原始发表时间:2021-02-16

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