minix 3 sobre arquitectura arm - E-Prints Complutense - Universidad

119 Pages·2009·1.23 MB·Spanish

Proyecto de Sistemas Informáticos.
Curso 2008-2009.
M 3
INIX SOBRE
ARM
ARQUITECTURA
Componentesdelgrupo:
J.AdriánBravoNavarro
HéctorCortigueraHerrera
JorgeQuintásRodríguez
Directoresdelproyecto:
LuisPiñuelMoreno
ManuelPrietoMatías
Facultad de Informática.
Universidad Complutense de Madrid.

Prefacio
En este trabajo detallamos el proceso de desarrollo de un port del sistema
operativo Minix 3 a arquitectura ARM. Para una mejor comprensión de este
proceso, es necesario introducir al lector en una serie de conceptos. Por ello,
enprimerlugarintroducimosMinix3yrealizamosunanálisisdesusaspectos
más importantes. A continuación, exponemos las características más relevan-
tesdelaarquitecturaARM,comparándolaconlaarquitecturax86enalgunos
puntosrelevantesparanuestrotrabajo.Enlasseccionessiguientesmostramos
la relevancia del proyecto, enumeramos los objetivos iniciales y el estado fi-
nal que ha alcanzado el desarrollo. Posteriormente describimos en detalle los
entresijosdelaimplementación,centrándonosenlosaspectosmásrelevantes.
Debidoasuimportancia,acontinuaciónsededicaunasecciónparaintroducir
allectorenelentornodedesarrolloquehemosutilizado,suscomponentesysu
utilidad,yaqueesteentornoesuncomponentecrucialdelprocesodeimple-
mentación,ysuconfiguraciónnoesunasuntotrivial.Finalmente,exponemos
lasdificultadesconlasquenoshemosencontradoenlarealizacióndelproyec-
to,asícomoelalcancefinaldelmismoylaslineasdetrabajofuturoquequedan
abiertas.
Palabras clave
ARM,Minix3,sistemasoperativos,systemonchip,SoC,microkernel,ker-
nel,dispositivoempotrado.
Abstract
InthisworkwedetailthedevelopingprocessofportingtheMinix3opera-
tingsystemtoARMarchitecture.Forabetterunderstandingofthisprocess,we
shouldintroducethereaderintosomebasicconcepts.Therefore,wefirstintro-
duceMinix3andmakeananalysisofitsmainfeatures.Afterwards,wepresent
themainfeaturesoftheARMarchitecture,comparingwiththex86architecture
insomeoutstandingpointsforourproject.Inthenextsectionsweexplainthe
importance of our project, list the initial goals and the state the development
hasreached.Laterwegointodetailsabouttheinternalsofthecodingprocess,
focusinginthemostsignificantpoints.Duetoitsimportance,thenextsection
isusedtointroducethereaderintothedevelopmentenvironmentthatweha-
veused,itscomponentsandusefulness,forthisenvironmentisavitalpartof
thecodingprocess,anditssetupitisnotatrivialissue.Finally,wepresentthe
dificultieswehavefacedduringtheexecutionoftheproject,justastheproject
scopeandthefutureworklinestopursue.
Keywords
ARM,Minix3,operatingsystemas,systemonchip,SoC,microkernel,ker-
nel,Embeddedsystems.
Cesión de derechos
ElcódigofuentedelproyectoseencuentradisponiblebajolalicenciaGPL
versión2,descargabledehttp://www.gnu.org/licenses/gpl-2.0.txt.
Porsuparte,lamemoriadelmismoestádisponiblebajolalicenciaGFDLver-
sión1.3,asuvezdescargabledehttp://www.gnu.org/licenses/fdl-1.
3.txt.
Sin perjuicio de lo anterior, J. Adrián Bravo Navarro, Héctor Cortiguera
HerrerayJorgeQuintásRodriguez,losautoresdelproyectoyabajofirmantes
autorizamos además a la Universidad Complutense a difundir y utilizar con
finesacadémicos,nocomercialesymencionandoexpresamenteasusautores,
tanto la propia memoria, como el código, la documentación y/o el prototipo
desarrollado.
Madrid,a18deSeptiembrede2009.
AdriánBravo HéctorCortiguera JorgeQuintás

Agradecimientos
Amifamilia,mamá,papáyRober,porhabermepuestoenelcamino.AVickypor
haberretiradolaspiedras,yaCrisporhabercaminadoconmigo.AJorgeyHéctor,por
serunequipoincreíble.
ACris,porestarsiempreconmigo.Amispadres,porhabermeayudadoahacerlo
quequería.Amisamigosycompañerosdesobremesaenlafacultad,poraguantarque-
jascuandolascosasnosalíancomoplaneábamos.YaAdriányJorge,porqueencontré
alosmejorescompañerosdeprácticas.
Amiextensafamilia(¡soismuchosparaponerosatodos!).AUnaiyAnaporale-
grarmelavida.APepaeIsidroporejercerdeabuelos.AFranciso,"Viriato",Miguel,
Marcelo y Juan, seguís estando aquí. Con especial cariño a Javi e Isabel, a "Isita", a
Clara, a Paula, a mi bisabuela Clara, a mis abuelos Carmen, José y Concha, a mi tío
Antonioyamispadres(avosotrosespecialmenteporaguantarme,séquenolopongo
fácil).Aloscompañerosdelviajequeseacaba,sobretodoaAdriányHéctorporvuestro
fantásticotrabajoyporserlosmejorescompañeros.
Al restaurante Tokio de Moncloa, por alimentarnos durante las jornadas más in-
tensas.
AlAulaSUNUCM,porcedernosunespacioparareunirnosytrabajaragusto.
Aestacarrera,porhaberseterminado.

Índice general
1. Introducción 1
1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Estructuradeldocumento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Minix3 5
2.1. HistoriadeMinix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. IntroducciónaMinix3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1. Diseñoyarquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2. EstructuradeMinix3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3. Ventajasdelaarquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.4. Desventajasdelaarquitectura . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. GestióndeProcesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. GestióndeMemoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1. Estructurasdedatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2. Llamadasalsistemaygestióndememoria . . . . . . . . 16
2.4.3. Cambiodecontextoymemoria . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5. Pasodemensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3. ARM 19
3.1. HistoriadeARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1. ModelodeProgramación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2. Extensionesdelaarquitectura . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3. ARMfrenteaIntel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1. Segmentaciónfrenteapaginación . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2. Cambiodecontextohardwarefrenteacambiodecontexto
software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4. Nuestraelección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
I
Índicegeneral
4. Memoriavirtual 39
4.1. Pequeñaintroducciónalamemoriavirtual . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1. Paginación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.2. Segmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3. Segmentaciónconpaginación . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2. MemoriavirtualenIntelx86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3. MemoriavirtualenARM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.1. MemoryManagementUnit . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5. Minix@ARM 55
5.1. Objetivosiniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2. Objetivosalcanzados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6. Implementación 57
6.1. Multiprogramación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.2. Scheduler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3. Memoriavirtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.4. Pasodemensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.5. Gestióndememoriadinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.6. Inicialización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.6.1. Placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.6.2. Vectoresdeinterrupción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.7. Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.7.1. Temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.7.2. PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.7.3. MMU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.8. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.8.1. Mapadememoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.8.2. Stackframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.9. Minix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7. EntornodeDesarrollo 77
7.1. Qemu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2. U-Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3. Toolchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.4. DesarrolloColaborativo:Launchpad,BazaaryDokuwiki . . . . 80
8. Dificultades 83
9. Trabajofuturo 87
II