移植Linux(ucLinux)到GBA的记录 v1.0[包

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移植Linux(ucLinux)到GBA的记录 v1.0[包含代码]                  


移植Linux(ucLinux)到GBA的记录 v1.0
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1.感谢
向所有直接和间接帮助过我的的朋友们表示衷心的感谢，因为人数太多我就不一一提到了。



2.写在最前面
《移植uclinux到GBA的记录 v0.0》可以在下面的地址找到。
http://www.linuxforum.net/forum/showthreaded.php?Cat=&Board=embedded&Number=489216

上次以后这个东西一直就放下了，突然某天（上个月吧）想到，既然Kernel都是直接在flash上跑的，文件系统还放在blkmem上干什么，白白浪费宝贵内存，于是自己做了一个只读文件系统norfs，弄起来一跑，仍然不行，还是在run_init_process内存不够了。我正在郁闷，突然想到mmnommu中有一个page_alloc2.c，是另一套页管理的代码，于是偶将其换上一跑，一下就跑了过去，果然厉害。又改了exec的一点错误，现在已经把init跑起来了，当然一跑init里面的swi就会让模拟器报错，忽略过去的话就能看见init在屏幕上显示出了颜色。再往后的工作就是对libc的修改了，不过我可能暂时不会再弄了。

本修改都以Linux kernel 2.4.24+uclinux针对其的补丁为基础做的。
在把补丁打好后，将我提供的linux-2.4.24中的文件覆盖进目录。然后将norfs目录中的linux-2.4.24目录中覆盖Kernel目录中相应文件就可以。然后make menuconfig，在System Type中设置ARM system type为GBA，打开General setup中的Support uClinux FLAT format binaries，打开File systems中的NOR file system support。然后make dep，make clean，make，将生成的elf文件linux拷贝到gbarom目录中。
然后进入norfs目录中的gennorfs目录，输入make，make install，将生成norfs镜象的gennorfs文件装进系统中。
最后进入make，则将生成linux.gba，这就是给GBA模拟器使用的2进制文件。



3.GBA的简单介绍以及其优点和缺点
GBA是一种掌上游戏机，用的ARM7TDMI，256K内存（有的介绍将其32K内存也算在其中的，这是完全不对的，因为那些内存是有专门作用的），显存、声道、多用串口等等一堆游戏机需要的东西，rom是nor flash，详细的介绍网上非常多，我也就不详细介绍了。
GBA的优点：开发资源丰富。因为对GBA游戏开发有兴趣的人不少，所以对其介绍的资料相当多，还有不少专门的论坛对其的开发进行讨论。同时GBA有多种模拟器可以使用，而且功能都很不错。
GBA的缺点：有点BT的环境。256K内存是无法将整个KERNEL放入其中的。最主要的问题是GBA将头16K写入了他自己的代码，也就是说GBA自己处理了svc到fiq，其中irq的处理会在GBA自己处理过后跳到指定的代码（这将在后面做详细介绍），其他的以我现有的认识都是无法取到的，GBA都用自己的代码处理掉了。



4.介绍一下我写的bootloader
GBA的执行是从0x8000000开始的，这也是flash的开始地址，但是实际上从0x8000004一直到0x80000c0以前的部分是有一套格式的，有什么图标字符、校验位等等一大堆东西，不过这些东西我都没能够在我的GBA镜象生成程序creatrom中完成，只是简单的按照规矩在bootloader中直接从0x8000000跳到了0x80000c0开始执行具体的bootloader代码。在bootloader中我主要做的工作是将存储在flash中的init节和data节放到内存中。下面我就来介绍一下bootloader代码bl.s：
首先将mess的地址设置到r4，这个mess中存储了init和data在flash中的位置、长度、应在内存中的位置以及text的开始地址，这个部分是在creatrom程序中填写的。
然后就是先init然后data的拷贝过程，其中具体的拷贝用的是gba_dma3_copy这个函数，这里用的是GBA的DMA3，GBA共有4个DMA，在实际的kernel中我还没能将这几个东西用上。
在2次拷贝结束的时候，有这么2句：
mov r0,#0
mov r1,#210
这是设置启动参数，在arch/armnommu/kernel/head-armv.S中是这样写的
/*
* Kernel startup entry point.
*
* The rules are:
* r0 - should be 0
* r1 - unique architecture number
* MMU - off
* I-cache - on or off
* D-cache - off
*
* See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of numbers
* for r1.
*/
注意这个210是我后加的，具体我将在下面介绍对kernel的修改的时候进行介绍。
设置好启动参数以后就是将mess中的text开始位置读出，跳到那个位置开始执行。



5.我对kernel的修改的介绍
我对kernel的修改除了我自己增加的目录arch/armnommu/mach-gba/和include/asm-armnommu/arch-gba/以外，我都用类似
//teawater add for gba 2004.2.28------------------------------------------------
#ifdef CONFIG_ARCH_GBA
#else
#endif
//AJ2D--------------------------------------------------------------------------
标记了出来。


5.1.编译相关的修改
arch/armnommu/Makefile，这里增加了一个GBA相关的条目，主要是设置连接脚本，其他也跟别的项目没什么不同，TEXTADDR这个部分本来是在连接脚本用指定kernel开始执行地址的地方，不过在我修改的代码中没什么作用，只是原来临时用保留下来的。
arch/armnommu/config.in，这里是menuconfig的时候生成菜单以及进行编译配置的地方，在这其中：
DRAM_BASE 内存的起始地址
DRAM_SIZE 内存的长度
FLASH_MEM_BASE flash的起始地址
FLASH_SIZE flash的长度
CONFIG_NO_PGT_CACHE 表示Disable pgtable cache
CONFIG_CPU_WITH_CACHE 表示CPU有CACHE 启动的时候要clean
CONFIG_CPU_WITH_MCR_INSTRUCTION 表示系统是否有MCR指令
arch/armnommu/tools/mach-types，实际上这个文件是用来生成文件include/asm-armnommu/mach-types.h的，不过因为关联的问题，修改过这个文件后注意删除一下mach-types.h这个文件，保证修改的生效。


5.2.连接脚本
我使用了单独的连接脚本arch/armnommu/mach-gba/romlinux.lds。
在这里比较主要的就是设置init和data的开始地址设置在了0x2001000，内存开始的部分在0x2000000，而这0x1000是交给kernel让其写中断处理代码的。而在0x8040d00是text的开始地址。
如果仔细观察的话你可以发现我将*(.text.init)也放进了text，这样的目的就是为了节省内存。
其中有1个地方比较关键：
. = ALIGN(4096);
__init_end = .;
因为init节实际上在init函数中将要被释放掉的，而且其后跟着的就是init_task_union，所以这里一定要保证init节的长度跟页长度对齐，同时要保证这个__init_end生成的地址是跟task的长度对齐。而前面将开始地址设置在0x2001000也是出于这个目的。


5.3.kernel在start_kernel以前的代码
arch/armnommu/kernel/head-armv.S，这是kernel最开始启动的代码，这里体系相关的代码很多，通用的启动部分在448行，也就是我修改后代码的第464行。
一上来就是函数__lookup_processor_type，这个函数是用来根据芯片的类型ID从.proc.info中取出相应的proc_info_list结构，这个结构定义在include/asm-armnommu/procinfo.h文件中，这个段中的数据是arch/armnommu/mm/proc-*.S文件中的，如果你的芯片比较特殊，可以定义自己的芯片结构以及编写自己的文件，arm7tdmi在arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.S文件中。这个函数中，我们可以看到在arch/armnommu/config.in中定义的CONFIG_CPU_WITH_MCR_INSTRUCTION，我也尝试跑过mrc指令取得芯片ID，不过代码马上就跑到了未定义指令上去了，所以我估计用这个是不行的，就定义了不支持mcr。在下面也写明了
# warning "FIXME: Get Processor ID without MCR Instruction"
还举出了使用的例子
@ A possible code
@ldr r9, PROCESSOR_ID_MEM_LOCATION
@ldr r9, [r9]
看一下arch/armnommu/mm/proc-arm6,7.S文件，就可以找到定义arm7tdmi的结构的是729行开始的，所以代码应该写成
ldr r9, __arm7tdmi_proc_info
ldr r9, [r9]
不过我开始是没仔细看这段注释的，直接就
@set r9 to arm7tdmi id(0x41007700)
mov r9,#0x7700
add r9,r9,#0x41000000
结果都是一样的，当然建议大家按uclinux提供的方式来弄比较好，我嘛，以后再改。
然后就是一大段根据这个ID比较的过程，最后返回，一些查找结构失败的判断，然后就是函数__lookup_architecture_type。
__lookup_architecture_type这个函数的作用是在.arch.info段中寻找相应的machine_desc结构，这个结构定义在include/asm-armnommu/mach/arch.h中，具体针对每个arch的定义就在arch/armnommu/kernel/arch.c以及arch/armnommu/mach-*/arch.c中，而GBA的就在arch/armnommu/mach-gba/arch.c中。其中具体的每个宏都在include/asm-armnommu/mach/arch.h中，都很明确我就不详细介绍了。
往后还有一些初始化工作，不过因为跟没有什么改动，就不详细介绍了。


5.3.start_kernel

5.3.1.setup_arch
这个函数用来做体系相关的初始化的，armnommu的在arch/armnommu/kernel/setup.c。注意一下540行，这里是默认的对物理内存结构meminfo的初始化，这个结构将在后面的内存初始化中起很重要的作用。在这其中，nr_banks指定了内存块的数量，bank是指定了每块内存的范围。而在这里用来指定块开始和长度的PAGE_OFFSET和MEM_SIZE，都定义在include/asm-armnommu/arch-gba/memory.h中，PAGE_OFFSET是内存的开始地址，我设置这个值为0x2001000，就是前面介绍的init和data的开始地址，结束地址自然就是内存的结束地址。后面函数就将根据meminfo进行内存结构初始化。
其中还有一个地方的修改，bootmem_init函数中调用的函数reserve_node_zero，这个函数的作用是保留一些内存以便使值不能被动态分配。看一下这个函数的内部，原来的代码是：
reserve_bootmem_node(pgdat, __pa(&_stext), &_end - &_stext);
这行的意思就是从_stext到_end都保留起来不做动态分配，而看我写的连接脚本就能知道这么写是不行的，因为_stext在flash中，所以我将这段代码改为：
reserve_bootmem_node(pgdat, __pa(&__init_begin), &_end - &__init_begin);
后面对init_arch_irq进行了初始化，这个将在后面用到。

5.3.2.parse_options和calibrate_delay
我的代码跑到这2行以后进去就跑不出来了，正好看一个文章写有什么问题，而且2个函数也没什么作用，所以我就直接将其去掉了。

5.3.3.trap_init
这个函数用来做体系相关的中断处理的初始化，armnommu的在arch/armnommu/kernel/traps.c。vectors_base的值是比较关键的，因为其的写中断向量的开始地址，他的设置在include/asm-armnommu/proc-armv/system.h，地址0因为GBA的BIOS的原因自然是写不进去的，所以我将其设置为0x2000000。然后就调用arch/armnommu/kernel/entry-armv.S中的函数__trap_init将中断处理代码写入vectors_base指定地址。

5.3.4.init_IRQ
这个函数用来做体系相关的irq处理的初始化，armnommu的在arch/armnommu/kernel/irq.c。一开始就是对根据定义在include/asm-armnommu/arch-gba/irqs.h中断数量NR_IRQS对中断结构irq_desc的初始化。
在默认的初始化完成后调用前面初始化的函数init_arch_irq，先到了arch/armnommu/kernel/irq-arch.c中的函数genarch_init_irq，然后就执行include/asm-armnommu/arch-gba/irq.h中的inline函数irq_init_irq，在这里对irq_desc进行了实质的初始化。其中mask用阻塞中断；unmask用来取消阻塞；mask_ack的作用是第一是阻塞中断，同时还发ack给板表示这个中断已经被处理了，否则板将会自动再次发生同一个中断，当然不是所有板需要这个ack，所以有的扳子的mask_ack跟mask用的是一个函数。后面3行语句，第1行设置对irq全部mask，第2行是对irq的另一个标志设置为irq可以发生，第3行是设置irq向量处理的位置，GBA将在接到irq自己处理后跳到这里指定的位置执行。
下面执行的函数是init_dma，前面我已经介绍过我没有在kernel使用GBA的DMA，所以就设置include/asm-armnommu/arch-gba/dma.h中的MAX_DMA_CHANNELS为0，这样在arch/armnommu/kernel/dma.c文件中你可以看到根据这个定义的不同会使用不同的函数。

5.3.5.time_init
这个函数用来做体系相关的timer的初始化，armnommu的在arch/armnommu/kernel/time.c。这里调用了在include/asm-armnommu/arch-gba/time.h中的inline函数setup_timer，首先设置timer的中断处理函数为gba_timer_interrupt，然后设置已经初始化好的结构timer_irq用setup_arm_irq为GBA的timer3的中断处理结构。
然后调用gba_enable_timer3启动timer3，其中LATCH是每个时钟中断用的时钟滴答的次数，这个值定义在include/linux/timex.h中：
#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ)
其中CLOCK_TICK_RATE是定义在include/asm-armnommu/arch-gba/timex.h中，这个值是输入时钟脉冲的频率。

5.3.6.fork_init
因为GBA的内存太小，计算出的max_threads数量太小，所以我将其改成我定义的GBA_MAX_THREADS。

5.3.7.kernel_thread
这里调用了arch/armnommu/kernel/process.c中的函数arch_kernel_thread，在这个函数中kernel第一次使用了swi指令，在：
__syscall(clone)
我将其换成了
bl gba_sys_clone
gba_sys_clone这个函数定义在arch/armnommu/mach-gba/entry_gba.S中，sys_clone函数的最后一个参数是struct pt_regs *regs，这是一个寄存器的列表，原来是在swi的处理过程中存储进栈的，然后在返回的时候再将寄存器恢复成原来的值，在gba_sys_clone中模仿了这个过程。gba_save_user_regs是前面定义的宏，是模仿save_user_regs写的，作用就是将寄存器存入栈。然后将sp值放进r2，也就是作为sys_clone函数的最后一个参数。函数sys_clone执行结束后，将r0的值放入寄存器列表中r0的位置，这样做是保证函数的返回值最后可以返回，最后 用宏gba_restore_user_regs将寄存器值从栈中恢复到寄存器中。
其实如果是一般的系统调用，直接bl到相应函数就可以了，只是因为sys_clone函数还需要一个寄存器列表的函数，所以使用的上面的方法，类似的还有下面用到的sys_execve，只是


5.4.init
5.4.1.do_basic_setup
在这里的sock_init我觉得占内存太多，所以就把这个函数的执行去掉了。

5.4.2.blkmem相关的修改
下面这段在使用norfs的时候不需要，不过我还是保留了下来。
我将include/linux/blkdev.h中的MAX_NR_REQUESTS从1024换成了16，在blkmem_init中，调用了blk_init_queue，这里调用了blk_init_free_list，这里调用blk_grow_request_list，在这个函数中会kmem_cache_alloc出nr_requests个request结构，而nr_requests的值为MAX_NR_REQUESTS，如果是1024个request结构则将用掉过多的内存，实际GBA的全部内存也不够，所以我将其替换成了16。
在include/asm-armnommu/arch-gba/blkmem.h中的一行
#define FIXUP_ARENAS arena[0].address = (unsigned long)0x8240d1c;
其中0x8240d1c就是romfs在flash中的地址。

5.4.3.free_initmem
这个函数在arch/armnommu/mm/init.c中，就是前面提到的对init节的释放，如果你的体系不想释放init，可以用其中其他体系类似的方式指定不释放。

5.4.4.run_init_process
在这其中有一个execve，我将其换成了gba_sys_execve，基本过程跟上面的gba_sys_clone过程类似。不同的地方在sys_execve返回后，先判断r0的值是否大于等于0；如果不是则表示sys_execve的执行发生了错误，则将r0的值设置进积存器列表中；如果是则设置USR_MODE进寄存器列表，可能你要奇怪我为什么这么做了，因为寄存器列表应该已经在sys_execve被设置好了的，我这么做的原因是这样的：
先看一下实际对寄存器列表进行设置的宏start_thread
#define start_thread(regs,pc,sp) \
({ \
unsigned long *stack = (unsigned long *)sp; \
set_fs(USER_DS); \
memzero(regs->uregs, sizeof(regs->uregs)); \
if (current->personality & ADDR_LIMIT_32BIT) \
regs->ARM_cpsr = USR_MODE; \
else \
regs->ARM_cpsr = USR26_MODE; \
regs->ARM_pc = pc; /* pc */ \
regs->ARM_sp = sp; /* sp */ \
regs->ARM_r2 = stack[2]; /* r2 (envp) */ \
regs->ARM_r1 = stack[1]; /* r1 (argv) */ \
regs->ARM_r0 = stack[0]; /* r0 (argc) */ \
})
可以很清楚的看到，依赖了current->personality才将cpsr设置为32位user模式，不然就是26位user模式。
而personality来自哪里呢，继承自init_task，但是在其的初始化宏INIT_TASK并没这个元素，应该是被设置为了0，这样最后被设成了 USR26_MODE，我觉得有点莫名其妙。
然后我试图用一种通用的办法解决这个问题：
发现在 CONFIG_ARCH_C5471 中有一个
static void __init
fixup_c5471(struct machine_desc *desc, struct param_struct *params,
char **cmdline, struct meminfo *mi)
{
/* This is probably not necessary for the init process. But, all
* normal C5471 processes must be marked as 32-bit processes. */

init_task_union.task.personality = PER_LINUX_32BIT;
}
俺一看马上模仿了写了一个，一跑还是不行，开始还都一直PER_LINUX_32BIT跑的满好，可最后到了binfmt_flat.c中，load_flat_file函数中有一句，set_personality(PER_LINUX); 被清成0了，偶延着这个set_personality走了一下，发现被设置成0是肯定的。
这下偶就晕了，别人的代码应该是跑的好好的，可为什么到我这里就不行了呢？只好在最后做了个不久工作，如果哪位知道指点一下我，多谢了。


5.5.irq的处理
刚才介绍了irq的初始化，这里来介绍发生irq后的处理。
发生中断以后，首先是GBA的BIOS对中断进行处理，然后到咱们前面在irq初始化时候指定的地址继续执行，那些代码在arch/armnommu/kernel/entry-armv.S中的第1360行开始也就是我修改过代码的1382行开始。在一上来我就增加了一行：
ldmia r13!,{r0-r3,r12,r14}
因为GBA的BIOS会将这几个寄存器存入栈，为了让这些寄存器保持一个irq才发生时候的值。而在后面设置r13为0x3007fa0，这样BIOS处理irq的时候的栈指针，这样可以保证下次再发生irq以后BIOS可以做正常处理。
这里的处理结束后就会根据当前进程所处的情况分别执行__irq_usr或者__irq_svc，在这其中get_irqnr_and_base就是取得当前中断的体系相关的取得当前中断号的宏。这个宏的几个参数代表的意思为：
irqnr: 中断号码，也就是取得返回的中断号码。
irqstat：用来存储irq当前状态的临时寄存器。
base：中断优先级别，不过在这里好象没起实际作用，所以我也不太了解具体做什么的。
tmp：给宏中使用的临时寄存器。
宏中整个的过程就是将GBA_IRQ_STAT位置中的中断状况，然后循环比较，最后将返回。


5.6.对page和task大小的修改
因为GBA内存的问题，实际还没运行到init函数内存就不够了，我采取的解决办法是将page和task改小。
首先我将include/asm-armnommu/proc-armv/page.h中页的大小改小。
然后我修改了include/asm-armnommu/processor.h中的THREAD_SIZE的页大小改小。不过在代码中实际几乎没有人使用THREAD_SIZE，而都用了8192，所以我都将他们改成了THREAD_SIZE，包括一些别的体系的代码，个人还是希望kernel中的东西多用宏，方便查看也能方便修改。还有修改了include/asm-armnommu/proc-armv/processor.h中的ll_alloc_task_struct宏和ll_free_task_struct宏，这两个宏是在do_fork的时候alloc_task_struct调用的，用来分配task的空间，既然同时改变了page和task的大小，自然也要修改。
还有就是要修改根据sp取得task开始地址的函数，这里一共有2个。一个是include/asm-armnommu/current.h中的inline函数get_current，主要是将sp的值最后的几位设置为0，所以这也是前面一直要内存对齐的原因。还有一个是arch/armnommu/kernel/entry-header.S中的宏get_current_task，刚才那个函数是给c代码用的，而这个是给asm代码用的。它的作用跟刚才那个函数一样，也是将最后几位设置为0，不过他使用了移位的方法，而前面的函数使用了位清除，这2段代码的作用是一样的，希望对这里有理解的朋友指点这样使用各自的好处。


5.7.关于大量使用宏ifdef的时候需要注意的东西
移植的代码为了保证能不影响别的体系代码的使用，我大量的使用了
#ifdef CONFIG_ARCH_GBA
#else
#endif
但是如果前面没有
#include <linux/config.h>
则将导致不管定义了什么选项，编译中只使用#else后面的部分，这自然是要发生错误的，我使用的检查方法是，在打开了GBA选项以后，在#else后定义一个#error，这样在发生定义错误的时候编译马上会终止，这样就能找到需要增加#include <linux/config.h>的位置，在include/asm-armnommu/proc-armv/page.h中就是这样的情况。


5.8.为了让Kernel支持norfs作为根文件系统对Kernel进行的修改
在do_mounts.c文件中的mount_block_root函数是用来mount根分区的函数，但是因为norfs不是FS_REQUIRES_DEV类型的文件系统，所以不会在其循环mount中出现，我为了方便在其全部失败后的位置增加了单独的mount norfs的代码。