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【歪门邪道】利用WSL搭建MIPS32构建环境

May 11, 2020 • Read: 332 • 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

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

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

源程序

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

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

连接需要使用mips-mti-elf-ld.exeram.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 headersSection 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

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

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

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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Last Modified: November 6, 2020
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