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.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

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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 . */

/* ----------------------------------------------------------------------------

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

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

#include

#include

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(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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