0、从零开发一个简易RTOS系统

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分类专栏：从零开发一个RVOS系统文章标签： linux 运维服务器

于 2024-12-04 11:29:44 首次发布

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跟着[完结] 循序渐进，学习开发一个RISC-V上的操作系统 - 汪辰 - 2021春视频走完了开发一个简易操作系统的全流程。从中学到了一个简易操作系统启动的顺序、如何编写汇编启动文件、ld链接文件的作用以及如何指导程序在mcu的ram中的布局，以及如何使用通用寄存器、外设寄存器、状态控制寄存器等。

在第 0 章 Bootstrap 中，我们需要深入理解 Makefile 的工作原理，确保能够准确解析并理解 Makefile 文件中每一行指令的具体作用。同时，还需掌握开发板 MCU 如何定位程序的入口地址的机制，以便更好地理解系统初始化过程和启动流程。

一、Makefile的工作机制

Makefile是一种自动化构建工具，用于管理大型项目中的编译和构建过程。

Makefile的基本结构：

Makefile是由一系列的规则、变量和指令组成。其基本结构如下：
%.o : %.c
	${CC} ${CFLAGS} -c -o $@ $<
其中%.o为目标任务，%.c为依赖文件，其余为执行的命令。

变量的定义和使用：

Makefile允许定义变量，例如编译器和编译选项：
COMPILE_PREFIX ?= riscv-nuclei-elf-
CC := $(COMPILE_PREFIX)gcc

CFLAGS = -nostdlib -fno-builtin -march=rv32imac -mabi=ilp32 -g -Wall -fno-common -DDOWNLOAD_MODE=DOWNLOAD_MODE_FLASHXIP
上述的${CC}和${CFLAGS}就是事先定义好的变量，分别表示编译器和编译选项。

riscv-nuclei-elf-gcc就表示针对芯来的交叉编译工具链。而CFLAGS中就是一些编译选项，比如-nostdlib就是禁用链接标准库，-march就是在指定目标架构和使用的指令集。

Makefile中的自动化变量：自动化变量是make工具提供的特殊变量，自动根据当前的规则和目标替换为相应的值。比如几个常见的自动化变量：

$@: 代表当前规则的目标文件名

$<：代表当前规则中的第一个依赖文件名

$^：代表当前规则中的所有依赖文件名。

简而言之，Makefile 用于自动化管理多个源文件的编译过程。首先，它通过编译器将多个 .c 源文件编译为 .o 目标文件，在这个过程中，源文件中的 #include 头文件会被包含并处理。接着，Makefile 使用链接器将多个 .o 文件链接成一个可执行文件（通常是 .elf 格式）。最后，生成的 .elf 文件会被转换为 .bin 格式，以便烧录到开发板中进行运行。

从.c 到 .o：文件的转换通常包括如下步骤：

1、预处理。编译器首先处理源文件中的宏定义、头文件引用等。结果是一个没有宏和文件包含的纯代码文件。通常为.i文件。

2、编译。编译器将预处理后的文件编译成汇编语言代码，生成.s文件。

3、汇编。汇编器将汇编语言转换成机器码，生成.o文件，包含了符号表、调试信息、机器码。

从若干.o 到 .elf：主要是将多个.o文件链接到一起，生成一个可执行的ELF文件。

1、链接。链接器会将多个.o文件和库文件合并成一个单一的可执行文件。这个过程包括：符号解析、重定位、地址分配。

2、生成ELF文件。完成链接后，链接器将所有内容打包为一个ELF文件。这个ELF文件包含以下部分：头部、代码段、数据段、符号表和重定位信息。

二、MCU的启动汇编start.S

MCU是如何找到程序的第一条执行语句在哪里的呢？通常由链接脚本 .ld 文件通过：

ENTRY( _start )语句指出MCU复位后程序的入口地址。不过在第0章bootstrap和第1章HelloRVOS中并没有引入 .ld 链接文件。因此此处通过编译参数 -Ttext=20000000指明复位后的程序入口地址。结合start.S汇编启动文件中的.text字段指明在地址0x20000000处从哪一行代码开始存放，共同指导了MCU复位的启动过程。

三、烧录与调试

OpenOCD是一个开源调试器，支持通过JTAG或SWD等接口与目标硬件进行通信，以便进行程序调试、烧录固件。是一个由社区驱动的开源项目，通常公司会提供基于OpenOCD的定制版本。

与OpenOCD配合使用的是 .cfg 文件。.cfg文件同时指定了调试的接口类型、目标硬件类型、调试器连接参数等。OpenOCD需要.cfg文件来正确识别调试硬件、目标芯片及其相关设置。

通过以下命令烧录固件：

${OPENOCD} -f ${CFG}  -c init -c halt  -c "flash write_image os.bin 0x20000000"  -c reset -c shutdown

通过以下命令通过OpenOCD连接目标板，并通过gdb开始调试：

run_openocd:
	$(OPENOCD) -f ${CFG}

run_gdb: 
	@$(ECHO) "Run gdb to connect openocd server and debug"
	$(GDB) os.elf $(GDB_CMDS)