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【歪门邪道】利用WSL搭建MIPS32构建环境

May 11, 2020 • 瞎折腾

最近打算参加一个 CPU 设计竞赛，遂开始从头开始看一本叫做《自己动手写 CPU》的书，因为年头比较古老了，其中的干货还很有价值，但是涉及诸如仿真、Mips 环境搭建等事宜，再以书中内容做参考就不太适宜了。

书中给出的 Mips 编译器还是 2013 年的呢，这篇文章我将记述如何一边 google 一边寻找最新版的编译器来完成同样的事情。

当然了，不使用最新版的同样也可以完成，而且直接按书上来的就是了，但是我总是喜欢用最新版的软件，所以这就是这篇文章的目的：如何使用最新版的工具链来编译 MIPS32 程序。

背景展开目录

关于实现这个事情，我最早想到的是直接去 WSL 里面安装 MIPS 的交叉编译链就是了。我的 WSL 使用的是 OpenSUSE，我在 yast 里面直接搜索 mips，然后安装带有 cross 字样的那个包，就是 GCC 交叉编译 MIPS 的包。后来又仔细研究了一下，发现交叉编译有两种不同的工具链。一种是在 yast 里安装的这种，我总结出它的特征就是在编译完的产物中你用 readelf -h 去看编译产物，你会发现它的 Flags 里面多一个 o32 或者其他什么东西，而另一种工具链编译完你去看就只有 mips32 一个 Flag。由于书上的目标是直接在 Verilog 写的 CPU 中运行程序，换句话说编译产物是直接作为二进制读入 CPU，然后被执行的，这中间没有操作系统来做一些脏活累活，因此这就要求你要是用 Bare Metal 版本的工具链，也就是后一者编译出来 Flags 只有一个 mips32 的那个。虽然就后面那个演示程序来说二者编译结果都一样，但是在编译 C 语言或 C++ 的时候，前者可能会直接调用一些一来操作系统的功能，而后者则不会，这样能够有效避免很多问题（它没有操作系统，而你用了依赖操作系统的指令，我觉得十有八九肯定会出毛病）。

MIPS 交叉编译 GNU 工具链展开目录

一开始在谷歌上搜索，我找到这么一个网页，也是 MIPS 官方网站：「ELF (Bare Metal)」，可是问题是我怎么也下不来页面上的文件，总是跟我说服务器 500 错误。我一想这事情必然有蹊跷，遂在官网上搜索。一开始搜索 Bare Metal，毕竟我要下载这个版本的工具链。结果没搜到什么有用的东西，又尝试搜索 ToolChain，工具链嘛，总该有相关的了吧。找到了「Linux Toolchain」，结果上面的文件一点开就会主页了。这时候我觉得可能 MIPS 官方在演我，我不甘心。

最终我在主页顶端导航栏的 Develop 选项卡下面的 Developer Tools 里看到了端倪：Developer Tools，在这个页面的 Compilers 一节，内附一个链接，打开之后跳到标题为「MIPS Compilers」，这回终于是对了。开门见山，直接给出了 Codespace 上用于 GNU 编译器的 MIPS 工具。最终的下载下来 Windows64 位版本的 Bare Metal 工具链。

放在一个固定的文件夹里面，然后在 WSL 里面配置 PATH 环境变量。因为我这边用的是 OpenSUSE，它不自动继承 Windows 系统的环境变量，因此需要单独设置，如果是 Debian 或其他发行版本，我记得他会自动继承 Windows 的 Path 设置。

  • export PATH="/mnt/c/mips-mti-elf/2019.09-02/bin:$PATH"

重新进入后键入 mips 然后按 TAB，如果能自动补全就说明成功了。不过这里不好的一点就在于每一个命令之后你需要追加.exe，但好处是可以在 PowerShell 中运行。如果追求与 Linux 完全兼容的话，可以考虑下载 Linux 版本的，然后直接放在 WSL 里面。我这边为了方便在 PowerShell 中调用，就暂时忍了那个.exe 的小尾巴了。

测试编译链展开目录

源程序展开目录

文件名 inst_rom.S

  •     .org 0x0

  •     .global _start

  •     .set noat

  • _start:

  •     ori $1,$0,0x1100        # $1 = $0 | 0x1100 = 0x1100

  •     ori $2,$0,0x0020        # $2 = $0 | 0x0020 = 0x0020

  •     ori $3,$0,0xff00        # $3 = $0 | 0xff00 = 0xff00

  •     ori $4,$0,0xffff        # $4 = $0 | 0xffff = 0xffff

程序很简单，就是四个使用不同寄存器的逻辑与运算。最终这段程序应当转化为一个只包含这四条指令的二进制文件，然后再通过其他工具转换成 Verilog 内置函数 $readmemh 可以直接读入的文件。

编译展开目录

编译需要使用 mips-mti-elf-as.exe：

  • mips-mti-elf-as.exe -mips32 inst_rom.S -o inst_rom.o

这里 inst_rom.S 是上面的源文件，inst_rom.o 是编译产物。

连接展开目录

连接需要使用 mips-mti-elf-ld.exe 及 ram.ld 文件。后者是描述编译产物的各个块是如何安排的（我也没学过编译原理，大概就是这个意思），内容如下：

  • /* default.ld. Default linker script for Or1ksim test programs

  • 

  •    Copyright (C) 1999-2006 OpenCores

  •    Copyright (C) 2010 Embecosm Limited

  • 

  •    Contributors various OpenCores participants

  •    Contributor Jeremy Bennett <jeremy.bennett@embecosm.com>

  • 

  •    This file is part of OpenRISC 1000 Architectural Simulator.

  • 

  •    This program is free software; you can redistribute it and/or modify it

  •    under the terms of the GNU General Public License as published by the Free

  •    Software Foundation; either version 3 of the License, or (at your option)

  •    any later version.

  • 

  •    This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT

  •    ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or

  •    FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for

  •    more details.

  • 

  •    You should have received a copy of the GNU General Public License along

  •    with this program.  If not, see <http:  www.gnu.org/licenses/>.  */

  • 

  • /* ----------------------------------------------------------------------------

  •    This code is commented throughout for use with Doxygen.

  •    --------------------------------------------------------------------------*/

  • 

  • MEMORY

  •         {

  •        

  •         ram    : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 0x00001000

  •         }

  • 

  • SECTIONS

  • {

  •       /*

  •       For some reason the linker script can't see the _reset_vector symbol 

  •       (even if we declare it global), so we explicitly set it. */

  • 

  •     .text :

  •         {

  •         *(.text)

  •         } > ram

  • 

  •         .data :

  •         {

  •         *(.data)

  •         } > ram

  • 

  •         .bss :

  •         {

  •         *(.bss)

  •         } > ram

  • 

  •         .stack  ALIGN(0x10) (NOLOAD):

  •         {

  •         *(.stack)

  •         _ram_end = .;

  •         } > ram

  • }

  • 

  • ENTRY (_start)

保存后进行连接：

  • mips-mti-elf-ld.exe -T ram.ld inst_rom.o -o inst_rom.om

这时候 inst_rom.om 就是最终的 ELF 文件了。这里不详细说明什么是 ELF 了，总是他是一个面向操作系统的可执行文件，如果使用 readelf 去看的话，你可以发现一些数据和书上列出来的有些差距。

首先是 Start of section headers，我这边的值比书上列的大了 200，而后面 Number of section headers 和 Section header string table index 分别比书上的多了 2 和 4。我觉得相同的文件怎么编译也应该差不出这么多。但是我也没在意（因为确实是不懂），后来导出的时候发现四条指令竟然导出了 10 条指令的量，前四个是正常的指令，后面六个对照 MIPS32 的指令表，怎么看怎么不像正常的指令。

经过搜索 om 文件和导出的数据，配合 readelf -S 查看块的数据，发现编译产物中多了一个.MIPS.abiflags 的块，需要在导出时排除掉。

复制出指令部分展开目录

这部分使用 mips-mti-elf-objcopy.exe，需要排除上面说的那个不相关的块：

  • mips-mti-elf-objcopy.exe -R .MIPS.abiflags -O binary inst

  • _rom.om inst_rom.bin

其中 -R 就是排除块，最终产物 inst_rom.bin 是二进制形式，可以使用 hexdump 查看其内容，与书上得到的结果一样。

转换为 $readmemh 可读格式展开目录

随书资料中附带了一个转换的工具，只可惜我这边提示此应用无法在你的电脑上运行，所以这里只好自己写一个了。本来想用 Java 的，但是考虑到要在 Make 里面调用，还是 C++ 相对好点，代码如下：

  • #include <iostream>

  • #include <fstream>

  • #include <string>

  • using namespace std;

  • 

  • std::ifstream fin;

  • std::ofstream fout;

  • string source_file_name;

  • string target_file_name;

  • 

  • int main(int argc, char * argv[])

  • {

  •     if(argc != 3){

  •         cout << "Usage: bin2mem raw target" << endl;

  •         return 0;

  •     }

  •     

  •     source_file_name = argv[1];

  •     target_file_name = argv[2];

  • 

  •     fin.open(source_file_name);

  •     if(!fin)

  •     {

  •         cout << "failed to open source file " << source_file_name << endl;;

  •         exit(-1);

  •     }

  •     fout.open(target_file_name);

  •     if(!fout)

  •     {

  •         cout << "failed to create target file " << source_file_name << endl;

  •         exit(-1);

  •     }

  •     fout << hex;    // 十六进制形式输出

  •     char ch;

  •     int count = 0;

  •     while(fin.get(ch))

  •     {

  •         count ++;

  •         int value = static_cast<unsigned char>(ch);

  •         // cout << value << endl;

  •         if(value < 0x10)

  •             fout << '0';

  •         fout << value;

  •         if(count % 4 == 0) // 4个字节，32位，一条指令

  •             fout << '\n';

  •     }

  •     fin.close();

  •     fout.close();

  •     

  •     return 0;

  • }

有一说一我的 C++ 确实是不咋地，就这点东西连查带调试，其中有些还是复制粘贴来的代码，就整了半个多小时。之前用 Java 测试的时候 5 分钟就写完了。

使用 g++ 编译成可执行文件：

  • g++ -o bin2mem ./bin2mem.cpp

使用：

  • ./bin2mem inst_rom.bin inst_rom.data

最终输出的 inst_rom.data 就是 $readmemh 可以直接读取的格式了。这里针对的是 MIPS32，如果是 64 位字长的话，需要按照实际指令的长度调整上面 44 行的数。

自动化展开目录

每次都来一套这些命令确实不太行，因此这里使用 Makefile 借助工具 Make 来做自动化编译。

  • ifndef CROSS_COMPILE

  • CROSS_COMPILE = mips-mti-elf-

  • endif

  • CC = $(CROSS_COMPILE)as.exe

  • LD = $(CROSS_COMPILE)ld.exe

  • OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy.exe

  • OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump.exe

  • 

  • OBJECTS = inst_rom.o

  • 

  • export    CROSS_COMPILE

  • 

  • # ********************

  • # Rules of Compilation

  • # ********************

  • 

  • all: inst_rom.om inst_rom.bin inst_rom.asm inst_rom.data

  • 

  • %.o: %.S

  •     $(CC) -mips32 $< -o $@

  • inst_rom.om: ram.ld $(OBJECTS)

  •     $(LD) -T ram.ld $(OBJECTS) -o $@

  • inst_rom.bin: inst_rom.om

  •     $(OBJCOPY) -R .MIPS.abiflags -O binary $<  $@

  • inst_rom.asm: inst_rom.om

  •     $(OBJDUMP) -D $< > $@

  • inst_rom.data: inst_rom.bin

  •     ./bin2mem $< $@

  • clean:

  •     rm -f *.o *.om *.bin *.data *.mif *.asm

没啥好说的，根据书上代码修改的。关键就是告诉 make 要用到的工具都在哪里，怎么调用。

- 全文完 -

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MIPS
Last Modified: November 6, 2020
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