浅谈嵌入式 Linux 的移植

1、移植的基本概念
移植是指将软件从一个平台迁移到另一个平台，包括以下几个方面：
-- 从一个硬件平台移植到另一个硬件平台；
-- 从一个操作系统移植到另一个操作系统；
-- 从一种软件库环境移植到另一个软件库环境。
2、Linux 硬件平台
在 Linux 内核里，每一个处理器指令集对应一个独立的体系结构（architecture），比如 alpha、arm、i386、mips、ppc。每个体系结构可以有若干变种 variant，或不同配置的硬件 machine，统称 sub-architecture。以 ARM 体系结构举例：
-- variants 包括 arm7tdmi、arm926ejs、strongarm、xscale；
-- machine 包括 edb7312、smdk2410、omap-h2。
3、硬件平台对 C 程序的影响
处理器字长，定义为处理器一次能处理的数据位数。字长等于处理器内部数据通路的宽度，一般可以通过通用寄存器的宽度来判断。处理器字长会影响 int、long 等 C 类型的长度。C 代码当中需要使用确定大小的数据类型，可以使用显式长度的类型，如：u8、s8、u16、s16、u32、s32、u64、s64。
4、数据对齐
数据对齐是指数据块的地址是某个特定大小的整数倍，如：
-- 32 位处理器字对齐 n*4
-- 页对齐 n*PAGESIZE
-- Cache line 对齐 n*CLINESIZE
数据访问要求至少是字对齐的，多数情况下编译器会处理数据访问的对齐。不对齐访问的例子：
-- char a[10]；
-- unsigned long* pl = (unsigned long *)(a+1)；
-- unsigned l = *pl；
5、字节顺序
字节顺序 byte order 是指一个字中字节排列的顺序。不同硬件可能采用不同的 byte order，如：
-- x86 little-endian
-- ppc big-endian
Linux 内核将硬件的 byte order 放在 里面定义，__BIG_ENDIAN 或 __LITTLE_ENDIAN。在 include/linux/byteorder/ 里面有几个头文件，定义了：
-- u23 __cpu_to_be32(u32)；/* convert cpu's byte order to bigendian*/
-- u32 __cpu_to_le32(u32)；/* convert cpu's byte order to littleendian*/
-- u32 __be32_to_cpu(u32)；/* convert big-endian to cpu's byte order */
-- u32 __le32_to_cpus(u32)；/* convert little-endian to cpu's byte order */
6、时间
软件中与时间相关的代码也会影响移植。采用平台无关的时间表达方法可以提高代码可移植性。Linux 内核里面采用 HZ 来表示每秒钟有多少个内部时钟滴答，以下对时间的描述是平台无关的：
-- HZ /* one second */
-- (2*HZ) /* two seconds */
-- (HZ/2) /* half a second */
-- (HZ/100) /* 10 ms */
-- (2*HZ/100) /* 20 ms */
7、内存页面大小
Linux 使用虚拟内存机制来管理内存，内存的使用基于页面。不同的体系结构有不同的页面大小。常用的32位处理器使用4kB页面大小。部分体系结构也可以支持多种页面大小。内核在 里面定义 PAGE_SIZE 和 PAGE_SHIFT：
-- PAGE_SIZE 表示页面大小；
-- PAGE_SHIFT 表示页面号在地址中的偏移量；
-- PAGE_SIZE = 2^ PAGE_SHIFT。
8、Linux 操作系统移植
（1）工具链移植
-- binutils (assembler, linker..)
-- gcc (compiler, libgcc)
-- glibc/uclibc
（2）内核移植
-- arch implementation
-- drivers porting
（3）应用程序移植
-- C program recompile
-- Implement absent library
9、Linux 内核的平台相关代码
Linux 内核对多平台有很好的支持。内核的对外部接口是统一的，并且与平台无关。内核的大多数代码也是与平台无关的。主要的体系结构相关代码存在于：
-- arch/architecture
-- include/asm-architecture
比如 ARM 体系的平台相关代码主要是：
-- arch/arm
-- include/asm-arm
10、已有代码向 Linux 内核移植
将已有代码向内核中移植有一些限制：
（1）内核中没有标准 C 库支持；
（2）内核中没有象用户程序那样的内存保护；
（3）内核中不便使用浮点操作；
（4）内核的堆栈是固定大小的，并且比较有限；
（5）在内核中需要编程者考虑并发带来的竞争与冒险，以及同步问题。
11、Linux 内核移植
Linux 内核代码可以分为平台相关部分和平台无关部分。Linux 内核绝大部分代码是平台无关的，可以被各种平台所共享，如：
-- 调度算法
-- 存储器管理
-- I/O子系统
-- 网络协议栈
依赖于特定硬件的代码在 Linux 中采用条件编译的方式区分：
-- ARCH = x86 即打开 x86 特有的代码
-- ARCH = arm 即打开 arm 特有的代码
12、Linux 内核的 arch 目录
进入 arch 目录，每个体系结构代码都有一个子目录：
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进入 arm 目录，在 arm 体系结构下可以看到很多 sub-arch 的子目录：
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13、实现 sub-arch
在 sub-arch 子目录下，以 mach-s3c2410 为例。一个硬件平台支持需要实现以下几个硬件相关的文件：
mach-s3c2410.c，irq.c，clock.c，dma.c，gpio.c，pm.c，sleep.c，time.c
同时在 include/asm-arm/arch-s3c2410 要实现：
-- Low-level IRQ helper macros
-- Debug output macros
-- Irq number definations
-- DMA definations
-- Memory mapping/translation
-- Reset operation
-- IDLE function
14、mach-smdk2410
在 mach-smdk2410.c 中，我们要定义以下几个内容：
smdk2410_iodesc，描述了所有保留的设备 IO 地址。这个描述符是我们移植一个特定目标板非常重要的地方。在这个描述文件中还要定义：
-- phys_ram
-- phys_io
-- io_pg_offst
-- boot_params
-- map_io
-- init_irq
-- timer
15、map_io
map_io 里面需要实现设备 IO 的初始化。在这里要用到 smdk2410_iodesc 描述符。该描述符是一个数组，其中每一项都描述了一个设备的 IO 映射。另外，时钟 PLL 的设置，UART 的设置都可以在 map_io 中调用。
16、init_irq
在这个调用里面，关于中断的初始化将会被完成：
-- 清除中断 pending 寄存器
-- 注册主要的中断处理程序
-- 设置系统中的设备中断
17、timer
timer 是一个 sys_timer 类型的结构，它包含以下成员：
-- init，调用执行硬件相关的timer初始化；
-- offset，调用返回自从上次 timer 中断以来经过的微秒数；
-- resume，调用执行系统唤醒后的timer恢复操作，一般实现上和init里面的初始化一样。
18、应用程序移植
最理想情况下，程序可以不作更改，或仅仅打一些补丁，然后告诉编译环境按照目标环境要求编译即可。
-- busybox
-- bash
-- sysv init
依赖某些平台特性的应用程序移植起来往往难度更大。如：
-- 图形库
-- 为速度进行优化的代码，比如编解码器
软件编程语言的跨平台性直接影响软件的可移植性。此外还有其他因素，如软件协议/源代码的开放程度。
19、应用程序移植常见问题
依赖软件造成移植性问题：
-- C库版本问题
-- 图形库带来的问题
-- 软件依赖某些服务带来问题
网络应用在 little-endian 平台上的处理，网络传递数据是 big-endian 的。
软件依赖特定平台的特性。
平台的数据一致性模型差异。