如何在16位單片機(jī)上移植linux

一直以來(lái)，linux被認(rèn)為是個(gè)32位的“現(xiàn)代化”操作系統(tǒng)，一般也沒(méi)有人在8位、16位單片機(jī)上面去移植linux。但是，從原理上來(lái)講，從任意位數(shù)的單片機(jī)，都是可以運(yùn)行l(wèi)inux的——本質(zhì)上就是個(gè)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(jì)打算做這個(gè)選題。當(dāng)然，雖然從原理上來(lái)講是可行的，但是在實(shí)際中遇到了一個(gè)非常大的困難，那就是底層的代碼量改動(dòng)非常大。并且linux體系中涉及到很多32位的東西，比如MMU。

后來(lái)就萌發(fā)了另外一個(gè)思路：作為uclinux而言，本身是為了不支持MMU的單片機(jī)而設(shè)計(jì)的，可以考慮移植uclinux到16位單片機(jī)上面。同時(shí)，linux的早期版本，對(duì)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(jià)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(jī)來(lái)啟動(dòng)ubuntu，并且發(fā)表時(shí)間也比較新（代碼最后修改是在3.22號(hào)，最近的網(wǎng)站更新是在4.3號(hào)）。其參考價(jià)值在于，作者并沒(méi)有采用傳統(tǒng)的“移植”的方法，來(lái)將linux的內(nèi)核直接搬到8位的單片機(jī)上面，而是通過(guò)加入了一個(gè)中間層的方法——首先，作者在8位單片機(jī)上面實(shí)現(xiàn)了一個(gè)ARM模擬器，模擬出來(lái)一個(gè)ARM環(huán)境；其次，將linux內(nèi)核在模擬的ARM環(huán)境中進(jìn)行了運(yùn)行。其巧妙之處在于，避開了復(fù)雜的移植過(guò)程（以及16位和32位的兼容性問(wèn)題），將工作主要集中在如何在8位單片機(jī)上模擬32位的單片機(jī)（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(gè)重要的價(jià)值：在要求不高的情況下，我們可以采用更廉價(jià)、更低端的單片機(jī)（16位單片機(jī)、廉價(jià)的32位單片機(jī)）來(lái)模擬高端的單片機(jī)（ARM9系列等等）。

三、新思路的具體實(shí)現(xiàn)方案

實(shí)際上從原理上來(lái)講，這種思路的實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單。不考慮外設(shè)（當(dāng)然部分外設(shè)也可以模擬，比如模擬IIC，模擬SPI）的情況下，實(shí)際上單片機(jī)內(nèi)部就是①指令集②寄存器。

首先來(lái)說(shuō)寄存器。實(shí)際上32位的單片機(jī)，其寄存器都是32位的。同時(shí)，每個(gè)單片機(jī)的核心寄存器就那么幾個(gè)（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(duì)于8位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，32位的寄存器不就是4個(gè)寄存器連接起來(lái)么？不就相當(dāng)于一個(gè)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(lái)模擬32位單片機(jī)的內(nèi)部寄存器。

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

當(dāng)然，除了上述兩項(xiàng)，還有就是linux運(yùn)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(méi)有什么難度，就只是工作量的問(wèn)題啦。

四、一點(diǎn)展望

剛才那篇文檔的作者，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了ARMv5TE指令集的模擬，也就是ARM9單片機(jī)的內(nèi)核，但是他是啟動(dòng)的ubuntu系統(tǒng)，比較復(fù)雜，而且內(nèi)核啟動(dòng)也比較麻煩（模塊較多）。事實(shí)上，我們完全可以通過(guò)這樣一個(gè)系統(tǒng)來(lái)啟動(dòng)我們嵌入式的內(nèi)核，大小在幾M級(jí)別而已，如果精簡(jiǎn)一下的話，啟動(dòng)會(huì)更迅速，也會(huì)更具有實(shí)用價(jià)值。