如何在16位單片機上移植linux

一直以來，linux被認為是個32位的“現(xiàn)代化”操作系統(tǒng)，一般也沒有人在8位、16位單片機上面去移植linux。但是，從原理上來講，從任意位數(shù)的單片機，都是可以運行l(wèi)inux的——本質(zhì)上就是個操作系統(tǒng)么，既然ucos可以，為什么linux不行？

于是，我的畢業(yè)設(shè)計打算做這個選題。當然，雖然從原理上來講是可行的，但是在實際中遇到了一個非常大的困難，那就是底層的代碼量改動非常大。并且linux體系中涉及到很多32位的東西，比如MMU。

后來就萌發(fā)了另外一個思路：作為uclinux而言，本身是為了不支持MMU的單片機而設(shè)計的，可以考慮移植uclinux到16位單片機上面。同時，linux的早期版本，對ram和flash的要求都比較小，因此考慮移植早期版本的uclinux。

二、新的思路及其價值

但是今天又在google上面搜索，突然見到了如下的文章：

http://dmitry.co/index.php?p=./04.Thoughts/07.%20Linux%20on%208bit

這篇文章是用8位單片機來啟動ubuntu，并且發(fā)表時間也比較新（代碼最后修改是在3.22號，最近的網(wǎng)站更新是在4.3號）。其參考價值在于，作者并沒有采用傳統(tǒng)的“移植”的方法，來將linux的內(nèi)核直接搬到8位的單片機上面，而是通過加入了一個中間層的方法——首先，作者在8位單片機上面實現(xiàn)了一個ARM模擬器，模擬出來一個ARM環(huán)境；其次，將linux內(nèi)核在模擬的ARM環(huán)境中進行了運行。其巧妙之處在于，避開了復(fù)雜的移植過程（以及16位和32位的兼容性問題），將工作主要集中在如何在8位單片機上模擬32位的單片機（并且模擬了諸如MMU、DMA等系統(tǒng)模塊，以及UART等外設(shè)）。那么這樣的工作還有另外一個重要的價值：在要求不高的情況下，我們可以采用更廉價、更低端的單片機（16位單片機、廉價的32位單片機）來模擬高端的單片機（ARM9系列等等）。

三、新思路的具體實現(xiàn)方案

實際上從原理上來講，這種思路的實現(xiàn)也很簡單。不考慮外設(shè)（當然部分外設(shè)也可以模擬，比如模擬IIC，模擬SPI）的情況下，實際上單片機內(nèi)部就是①指令集②寄存器。

首先來說寄存器。實際上32位的單片機，其寄存器都是32位的。同時，每個單片機的核心寄存器就那么幾個（比如8086，就是AX BX CX DX，還有DS SS SP等等）。既然是寄存器，那么對于8位單片機來說，32位的寄存器不就是4個寄存器連接起來么？不就相當于一個結(jié)構(gòu)體（或者是數(shù)組）么？因此，我們的模擬器可以考慮用一系列的結(jié)構(gòu)體來模擬32位單片機的內(nèi)部寄存器。

再來說指令集。不同單片機之間的指令集是不同的，這個道理顯而易見（同時，這個也是阻礙linux或者其他操作系統(tǒng)移植的最大的因素，因為移植linux的話最難的部分就在于底層匯編的編寫）。但是，匯編語言的本質(zhì)是什么？實際上就是機器語言的一種表現(xiàn)形式。那么機器語言是什么？不就是0和1么。話又說回來，所有的C語言的程序，最終都需要轉(zhuǎn)化成機器語言才能夠執(zhí)行——也就是說，C語言和機器語言是對應(yīng)的。那么，如果我手頭有一個ARM編譯出來的程序，那么肯定全部是機器語言，由0和1組成。如果我知道ARM系列每個機器語言的含義，并且對這個編譯出來的程序進行解碼，那么就能得到對應(yīng)的每一句的匯編語言（這也就是所謂的反編譯）。那么，如果我們在8位單片機的程序中，首先讀出ARM編譯出來的程序中每一句機器指令，然后加以解析，并且將這個機器指令對應(yīng)的操作進行實現(xiàn)——那么我們不就通過程序，來完成了ARM單片機中CPU的功能么？那么，這樣我們實際上就通過8位單片機上面的程序，完成了32位命令的解析，也就完成了一個ARM模擬器的工作的大部分。

當然，除了上述兩項，還有就是linux運行畢竟還是需要一定量的RAM和外設(shè)，因此我們還要再加入一些外部RAM和FLASH，這些方案沒有什么難度，就只是工作量的問題啦。

四、一點展望

剛才那篇文檔的作者，已經(jīng)實現(xiàn)了ARMv5TE指令集的模擬，也就是ARM9單片機的內(nèi)核，但是他是啟動的ubuntu系統(tǒng)，比較復(fù)雜，而且內(nèi)核啟動也比較麻煩（模塊較多）。事實上，我們完全可以通過這樣一個系統(tǒng)來啟動我們嵌入式的內(nèi)核，大小在幾M級別而已，如果精簡一下的話，啟動會更迅速，也會更具有實用價值。