OS实现过程之Xtensa DC_D_233L

最新推荐文章于 2025-03-08 19:16:07 发布

kernal_linux

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分类专栏： os过程文章标签： os

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写这篇文章的目的，主要是给那些新手看的，以满足他们的好奇心，让他们知道写OS会经历哪些过程。至于老手，都已经会写OS了，本文就没啥吸引力了。大家瞅瞅就行。
1. 背景

有现成的bootloader、OS、芯片驱动、产品，CPU是Xtensa DC_D_233L。我们有其它部分的源代码，但OS是其它公司开发的，源码没有。

2. 设计目的

 在DC_D_233L 上运行的多线程操作系统。当前已有bootloader、CPU内部模块的驱动、官方GDB（不是linux中的GDB）等。

3. 实现步骤

（1）了解OS的结构；
（2）查阅xtensa官方手册，了解芯片工作机制；
（3）分析xtensa官方手册，提取出与OS相关的内容；
（4）在纸上或电子文档中写下OS运行过程；
（5）检查第（4）步的结果是否可行；；
（6）编写OS代码，在电路板或仿真器上运行。

4.了解OS的结构

多线程OS的结构如下：
（1）内存管理；
（2）中断和异常处理；
（3）线程调度；
（4）系统调用；
（5）文件系统（暂不实现）；
（6）兼容现有OS接口；
多线程和多进程非常不同，多进程的文件系统是一大难点。多线程可就简单好多好多了，不用实现文件系统、代码常驻在内存中，这些都省好多事情。

5 查阅xtensa官方手册，了解芯片工作机制

芯片工作机制，包含如下内容：
（1）CPU寻址过程；
（2）发生中断时，硬件对中断的处理过程；
上述2项内容是必须要了解的。第（1）步牵涉到CPU寻址硬件的工作流程，它会使用很多硬件结构和寄存器，它们可能会成为单个线程正常工作的一部分。第（2）步是为了线程切换做准备，因为10ms定时中断一定会使用这种机制进行线程切换。

xtensa官方文档很多，为了实现上述2个目的，需要做如下2步：
（1）浏览多个官方文档，找出与上述目的相关的所有文档；
（2）对第（1）步的文档进行重要性排序，先看最重要的文档；
本人第（1）步唯一找到的文档是微处理器编程手册，紧接着就开始看了。坦白说，这份文档真不错，感觉是手把手教人如何写OS，就连代码设计的背后考虑，它都进行了详细说明。文档信息整理，这是本人现在面对的问题。这个编程手册才200多页，瞅瞅ARM的那些手册，动辄上千页，整理信息是很容易迷路和失去耐心的。抱着目的看文档，能有效解决这个问题。写OS是个艰苦的活，整理文档信息是第一步，是不可避免的。

6. 分析xtensa官方手册，提取出与OS相关的内容

这次的目的性非常强。首先是对总结内容的排序：
（1）先做内存管理的总结。内存管理肯定排在线程调度、系统调用前面，但是如果内存访问时没有触发异常或引发中断，则中断和异常处理是不必要的；内存管理却是时时都要用的。因此先做内存管理的总结，直到其完成为止。
（2）再做中断和异常处理的总结。中断和异常处理肯定排在系统调用前面，另外在中断里可以进行线程调度（如10ms定时中断），因此再做中断和异常处理的总结。
（3）再做线程调度的总结。它肯定要排在系统调用的前面。
（4）再做系统调用的总结。
（5）兼容现有OS接口：这个暂时不考虑，等到写出了OS，再做兼容不迟。
在总结过程中，我先在纸质笔记本上记录心中所想（纸张比电子文档更让人能思考），后来发现图表在纸质笔记本上写着不方便（经常删除内容），因此后来改用电子文档做总结思考。但是，总是在思考成熟后，比如在提出一个疑问并获得答案后，才会在电子文档上做记录。例如，内存寻址步骤是什么？每步做了什么事？内存寻址的参与对象有哪些？这步做下来，A3纸用了29页。

7. 设计的细化
7.1 设计目标

分2步实现我们的最终目标：
（1）写出最小的、能正常工作的OS，OS越简单越好，效率高低无所谓；
（2）在第一步的基础上，逐步扩充功能；
采用上述策略的原因是：
（1）一次性实现所有功能，难度大；
（2）某些功能并非必需；
（3）一次性实现所有功能，不利于程序调试；
（4）一次性实现所有功能，不能增加软件实现者的信心（非常重要！）；
上述方案可以让我们一开始，就集中注意力在验证文档总结是否正确、核心模块如何实现上，非核心模块先不做。这种方式可以让我们在初期就发现设计缺陷。当然了，我们的设计仍是大而全的，只是先实现核心模块而已。

7.2 内存管理的设计

内存管理的目标：
（1）不启用MMU（也就是说，不使用虚拟地址到物理地址的转换硬件---非常重大的设计决策）；
（2）可以随时分配内存、随时释放内存；
（3）内存大小的改变不影响程序的改动；
因为上述目标，使得内存管理蜕变为一个算法。

7.3 中断和异常处理的设计

（1）必须能够处理各种中断；
（2）支持高频率的中断处理（此为通信芯片，物理层中断非常频繁）；
（3）支持硬件中断嵌套，不支持软件中断嵌套（这个决策与芯片有关）；

7.4 线程调度的设计

（1）线程可以创建无数个；
（2）线程可以手动退出，也可以自动退出；
（3）提供线程间通信方法；
（4）线程调度算法易于修改；
（6）所有线程都是privileged权限；
（7）线程的优先级可以在创建线程时设置（此为通信芯片，某些线程优先级很高）；
（8）线程调度接口简单；

7.5 系统调用的设计

系统调用函数分为2类：
    （1）线程切换类；
    （2）非线程切换类。
之所以分类，是因为中断处理函数开放给用户编写，用户可能会在其中胡乱调用系统调用函数。所以对每个系统调用函数分类，使得在中断中只能调用非线程切换类函数。

8. 实现策略
8.1 最终目标

#include <stdio.h>
#include "OS_API.h"


void *taskA(void *arg)
{
    u32 i;

    while (1) {
        for (i = 0; i < 2000000; i++);
        schedule();
    }
}

void *taskB(void *arg)
{
    u32 i;

    while (1) {
        for (i = 0; i < 2000000; i++);
        schedule();
    }
}

int main()
{
    u32 i;

    /* 1: register main() as a task, and put it to task chain, this has
     * been done statically
     */

    /* 2: */
    mem_init();

    /* 3: */
    interrupt_init();

    /* 4: must be done after memory init */
    sched_init();

    /* 5: start testing */
    thread_create(taskA, NULL);
    thread_create(taskB, NULL);

    while (1) {
        for (i = 0; i < 2000000; i++);
        schedule();
    }

    return 1;
}

上述代码只有创建线程和线程调度，没有使用内存分配算法和开启中断。这符合先前的简化目标，因为我们仍处于验证设计是否可行的阶段，此时不应把代码弄复杂。
8.2 系统初始化

分类                 内容                                        初始化顺序
                     PC寄存器，SP寄存器                              21
全局设置——>           PS寄存器                                       14
                     WINDOWBASE寄存器                               11
windows机制           WINDOWSTART寄存器                             12
                     a0寄存器，a1寄存器                              13
中断机制              INTENABLE寄存器                                 1
                     INTERRUPT寄存器                                 2
                     ICOUNTLEVEL寄存器                               6
debug异常机制         IBREAKENABLE寄存器                              5
                     DBREAKCn寄存器                                  4
zero-overhead机制     LCOUNT寄存器                                    3
时间计算              CCOUNT寄存器                                    7
扩展L32R模式          LITBASE寄存器                                   8
                     PTEVADDR寄存器                                 15
MMU机制              RASID寄存器                                     16
                     ITLBCFG寄存器，DTLBCFG寄存器                     17
协处理器              CPENABLE寄存器                                  9
浮点寄存器            FSR寄存器，FCR寄存器                             10
MMU机制              指令cache，数据cache                             18
                     TLB entries或CACHEATTR寄存器                    19
                     其它寄存器
                     其它硬件结构
ROM解压              从ROM中解压到内存中                               20
调用第1个C函数        调用main()                                      22

8.3 内存管理初始化
存储访问中的参与对象：

ITLB，DTLB组
ITLBCFG，DTLBCFG寄存器
RASID寄存器
PTEVADDR寄存器（存放页表的基地址）
cache结构
EXCVADDR寄存器

在CPU上电启动后，应做如下初始化工作：（没有列出先后顺序）

（1）ITLB组和DTLB组中，除了way 6，其余的way都置为invalid。
（2）设置ITLBCFG寄存器和DTLBCFG寄存器，以设置way4, way5, way6的页表大小。
（3）设置RASID寄存器的值为0x04030201。
（4）清空cache中所有内容。
（5）不设置PTEVADDR寄存器。因为此时位于ring 0，寻址可以使用way6，故不会发生硬件自动填充TLB的情况。

在main()运行之前：

（1）定义1个数组avail_memory[内存字节大小/ (1024 × 4 ×8)]，用每个成员的每个bit表示1个4KB的内存；bit = 0表示该4KB没有被使用，bit = 1表示该4KB正在被使用；
（2）将数组avail_memory[]的每个成员都置为0；
（3）定义存储分配函数为：
    void *emalloc(u32 size);    // 从主内存中分配size个字节的存储区
    void efree(void *addr); // 从主内存中释放以addr为起始地址的存储区
【注】之所以叫emalloc()，efree()，是不想与malloc()和free()混淆。

在mem_init()内部：

（1）将avail_memory[]数组清零；

8.4中断初始化
main()运行之前：

（1）定义1个数组：void (*interrupt_handler)[32];

interrupt_init()内部：

（1）将interrupt_handler[]数组全部设置为NULL；
（2）将10ms定时中断的中断优先级设置为最低（为了嵌套中断能工作更顺利）；

8.5 线程调度初始化
main()运行之前：

（1）将main()定义成1个线程；
这步一定要将main()定义为1个线程，原因是这样的：main()一定会创建新线程，当新线程被中断或主动进行线程切换时，如果main()不是一个线程（从而它不在全局的线程链表中），则线程调度时，永远不会选择并切换回main()。

sched_init()内部：

    空；

thread_create()内部：

（1）使用phy_malloc()为每个新线程分配PCB；
（2）对该新PCB进行结构方面的初始化；
（3）对该新PCB进行栈上内容的初始化；

9. 实现总结

（1）查阅并总结文档非常耗时，占整个时间的2/3；编码及测试只占1/3；
（2）尽量看官方文档，官方文档比网络上的二手资料准确；
（3）先写核心模块，再逐步扩充OS功能。OS功能众多，难道要一次性全部写完？对本人而言，一次性写完难度太高了，根本完成不了。所以在设计阶段，就应经想好实现模块的先后顺序。初期实现目标代码，当然是越简单越好（否则就没信心了），无所谓效率，能进行线程创建、线程切换就行，此时不要求线程退出（线程就是无限循环）。这个阶段伴随着设计方案的验证、设计方案的修改、芯片理解的校正等，逐步实现线程切换。一旦实现线程切换，则可以加上内存分配、互斥量、条件变量等，再加上中断和异常处理、定时器，形成可以工作的OS；
（4）xtensa GDB可以进行软件层的线程切换（Keil也可以），它是个非常强大的程序调试工具；